類似した臨床症状を示す溶血性尿毒症症候群の発症を引き起こす因子の多様性は、それらの作用機序が共通していることを示している。溶血性尿毒症症候群を引き起こす因子の主な特性は、内皮細胞(EC)を損傷する能力であることが示されている。特殊な超微細構造研究により、溶血性尿毒症症候群の患者では、内皮細胞の浮腫、基底膜からの剥離、毛細血管内腔の減少が明らかになっている。微生物、細菌毒素、ウイルス、抗原抗体複合体は、内皮細胞に直接的な破壊的影響を及ぼします。腸管感染を背景としたECへの損傷は、細胞毒素および神経毒素である大腸菌ベロ毒素およびS. Dysenteriae 志賀毒素の作用によって引き起こされます。最近では、様々なベロ毒素を有する大腸菌O157:H7が特別な役割を担っていることが分かっています。多形核白血球(PMN)から分泌されるタンパク質分解酵素と遊離酸化代謝物は、ECの破壊に関与します。ECにおける病理学的プロセスは、細菌やそこから分泌されるエンドトキシンの影響下でPMNによって産生される炎症メディエーターであるインターロイキン-1(IL-1)と腫瘍壊死因子(TNF)によっても促進されます。溶血性尿毒症症候群では、PMNはインターロイキン-8によって活性化されます。EC損傷のもう一つのメカニズムは、補体系の活性化です。
溶血性尿毒症症候群の発症には、2つの誘因が存在します。下痢型の溶血性尿毒症症候群では、血液凝固因子の活性化と播種性血管内凝固症候群(DIC)の発症が観察され、これが疾患の特徴的な臨床像および形態学的所見を決定づけます。腸管感染症を伴わない溶血性尿毒症症候群の亜型では、長期間の観察において、DICの兆候が認められないことが多いにもかかわらず、血小板の血管内活性化がしばしば認められます。しかしながら、現在では、溶血性尿毒症症候群発症の主な誘因は血管内皮細胞の損傷であることが証明されています。その後、血液凝固または血小板凝固のいずれかの経路が優先的に関与するようになるのは、血管内皮の障害の程度と質によるものと考えられます。活性化血小板および損傷した血管内皮細胞(EC)から放出された血管作動性物質の蓄積、内皮細胞自体の腫脹、そして血小板凝集体の蓄積は、腎臓の毛細血管および細動脈の内腔狭窄に寄与します。これにより濾過面積が減少し、糸球体濾過率の低下が起こり、急性腎不全を発症します。溶血性尿毒症症候群における溶血性貧血の発症は、一方では、血栓化した微小循環血管を通過する際に赤血球が機械的に損傷を受けることで説明され、他方では、血中の顕著な電解質異常が赤血球溶血の原因となります。この場合、赤血球は「殻」または「フード」のような外観を呈します。