Патогенез пиелонефрита основан на определённой последовательности изменений верхних мочевыводящих путей и почки, ведущей к развитию микробного воспаления в интерстициальной ткани, чашечно-лоханочной системе и почечной паренхиме. Первично, как правило, острое воспаление, которое в дальнейшем переходит в хроническое. Даже кратковременное повышение давления в чашечно-лоханочной системе вследствие расстройств уродинамики вызывает изменения почечного кровообращения, направленные на резкое сокращение продукции мочи: спазм артериальных сосудов почечной коры, приводящий к снижению фильтрации, и венозный стаз в мозговом веществе почки, создающий благоприятные условия для усиления процессов реабсорбции. Развивающийся в дальнейшем тяжёлый отёк интерстиция усугубляет и артериальную, и венозную ишемию органа. Избыточный транспорт жидкости в паранефральную клетчатку через щелевые пространства почки ведёт к её стекловидному отёку.
В таких гемодинамических условиях почка становится наиболее уязвимой (locus minoris resistentiae) для инфекционных агентов, попадающих в неё различными путями. Для окклюзионного пиелонефрита основной путь - гематогенный (при наличии острой и хронической инфекции в организме - тонзиллит, остеомиелит и др.), для неокклюзионного, в основе которого чаще всего лежит пузырно-мочеточниковый рефлюкс, характерно уриногенное (восходящее) проникновение возбудителя на фоне инфицирования нижних мочевыводящих путей (уретрит, цистит, послеродовая инфекция и др.). При острых и хронических кишечных инфекциях возможен и лимфогенный путь инфицирования почки.
В условиях спазма корковых артериальных сосудов возникает их микробная тромбоэмболия с образованием множественных инфарктов под капсулой почки. Эти изменения соответствуют серозному (обратимому) острому пиелонефриту. Если тромбоэмболии подвергаются мелкие артериальные сосуды, возникают мелкие инфаркты, нагноение которых в дальнейшем проявляется подкапсульными гнойничками - апостемами. При поражении более крупных сосудов инфаркты больше, при их нагноении возникают карбункулы. Как правило, эти процессы неразделимы, поэтому наиболее частое проявление острого гнойного (необратимого, деструктивного) пиелонефрита - апостематозный нефрит с множественными карбункулами почки. Карбункулы могут образовываться и от слияния компактно расположенных апостем. При отсутствии лечения гнойники сливаются, ограничиваются в виде абсцессов или расплавляют почечную капсулу с формированием очагового, а затем диффузного паранефрита. Расплавление околопочечной фасции ведёт к распространению гнойного воспаления на забрюшинную клетчатку с формированием флегмоны. Прогрессирование гнойного процесса в пределах почечной капсулы в конечном итоге приводит к гнойному расплавлению почки с полной утратой функции, уросепсису с угрозой гибели пациента. Гнойно-деструктивные формы чаще наблюдают при окклюзионном остром пиелонефрите в результате обструкции мочевыводящих путей, а также у 5-20% больных на фоне сахарного диабета, иммунодепрессивной терапии и др.