严重感染时，病原菌在感染灶大量繁殖并侵入血流形成菌血症，同时释放毒素(外毒素、内毒素)，后者作用于机体的内皮细胞、中性粒细胞、单核-巨噬细胞、激肽、内啡肽及补体、凝血等系统，诱发多种炎症介质释放，使机体发生炎症反应。
在众多炎症介质中，TNF-α、IL-1、IL-6是较为明确的促炎介质，而IL-4、IL-10、IL-13及转化生长因子β1是同时产生的一些抗炎介质。促炎反应过强及(或)与抗炎因子的平衡失调及免疫紊乱，可导致SIRS发生并逐级放大乃至失控，最终发生严重脓毒症及脓毒性休克。
脓毒性休克时，血管平滑肌细胞上的肾上腺素能受体下调或亲和力降低，细胞对缩血管物质的反应性亦下降，导致血管扩张，同时血小板活性因子(PAF)、TNF-α、IL-6等可作用于内皮细胞及其他组织，使PGI2、NO等扩血管物质合成增加，参与血管扩张及血液分布异常。此外，血管内皮细胞完整性破坏及微血栓形成可导致血浆外渗和间质水肿，其中肺就是损害器官之一导致肺水肿。