人類很容易被結核菌感染，但人體對感染的反應一方面取決於細菌的數量與毒力的大小，另一方面很大程度上取決於免疫力的強弱。因此，患者被結核菌感染後的反應與以往是否有過感染及由感染引起的免疫反應有關。第1次感染稱原發感染或初次感染;在體內已建立免疫反應或遲發性過敏反應後發生的感染稱為原發後感染(post-primary infection)或再感染，兩者在體內的反應是不相同的。
一般在初次結核感染3～4周後，隨著體內細胞免疫或遲發性過敏反應的建立，早期的非特異性炎症反應被肉芽腫性結核結節所取代，結節主要由淋巴細胞、巨噬細胞組成，中心常有乾酪樣壞死，此時90%的患者感染被控制，播散被遏制。這類患者雖被結核菌感染，但由於免疫力較強，未發展成結核病，臨床也無表現，只有少數小兒及免疫力低下的成人可直接由原發感染髮展成結核病。
腎結核至於原發後感染或再感染多見於原發感染灶已消退，細胞免疫已建成，但體內又重新出現結核。現在多認為這類感染為早期原發感染播散時留下的病灶重新復發，即為內源性再感染。據報道約5%的患者於原發感染2～5年後，肺部出現結核;另有約5%的患者則於原發感染後10～20年或更長的時間始出現其他肺外結核如腎結核、骨關節結核和淋巴結核等臨床症狀。由於機體已感染致敏，並已具有細胞免疫的功能，故能限制感染的播散，但組織破壞則較顯著，與原發感染有著顯著的差別。
腎結核幾乎都繼發於肺結核感染，也偶見繼發於骨關節、淋巴及腸結核。結核桿菌到達腎臟的途徑有4種，即經血液、尿路、淋巴管和直接蔓延。後兩種徑路的感染比較少見，只在特殊情況下發生。經尿路感染也只是結核病在泌尿系統的一種蔓延，不是結核菌在泌尿系統最初引起感染的途徑。結核桿菌經血行到達腎臟，是已被公認的最主要和最常見的感染途徑;而腎結核的血行感染以雙側同時感染機會較多，但在病情發展過程中，一側病變可能表現嚴重，而對側病變發展緩慢。如果患者抵抗力降低，病情迅速發展，可能表現為雙側腎臟嚴重病變。病理檢查證明80%以上的病例是雙側感染。但實際上因大多數患者對側輕度病變能自行癒合，所以臨床上所見的腎結核多以單側為主，約佔85%以上，而雙側腎結核在臨床上約佔10%。
腎結核主要病理變化為腎皮質的阻塞性缺血性萎縮，腎髓質的乾酪樣壞死空洞形成及尿路的纖維化和梗阻。
結核桿菌經血行到達腎臟後進入腎小球毛細血管叢中，若患者免疫力強，菌量少，毒力弱，則病變侷限於腎皮質內，形成多個小肉芽腫，多數可全部自愈;若患者免疫力低下，菌量大，毒力強，則結核桿菌到達腎髓質和乳頭，病變進行性發展，結核結節彼此融合、壞死，形成乾酪樣病變，後者液化後排入腎盞形成空洞，則罕有自行癒合者。腎盂、腎盞黏膜上的結核可在腎內經淋巴、血行或直接蔓延累及全腎或播散於腎臟其他部位。若腎盞纖維化狹窄，可形成侷限性閉合性膿腫。腎盂結核性纖維化造成梗阻時，可使腎臟病變加速發展，成為無功能的結核性膿腎。腎結核病變擴展至腎周圍時，可發生結核性腎周圍炎或腎周寒性膿腫，甚至發生結核性竇道或瘻管形成。
腎結核的另一病理特點為纖維化和鈣化，血管周圍纖維化使腎內動脈狹窄，內膜增厚，動脈管腔狹窄而導致腎皮質萎縮，稱為“梗阻性腎皮質萎縮”，此為腎結核腎皮質的主要病理改變。腎盞、腎盂和輸尿管結核病變纖維化，可使管腔狹窄，甚至完全梗阻。晚期腎結核可形成鈣化，先出現於空洞邊緣，呈斑點狀。膿腎可形成特有的貝殼樣鈣化。如患側輸尿管完全梗阻，則來自腎臟的結核性尿液不能流入膀胱，膀胱結核可好轉甚至癒合，臨床症狀完全消失，稱為“腎自截”，多在體檢超聲或腹部X線平片偶然發現。此時，腎臟內的乾酪樣組織內仍可有存活的結核桿菌長期存在，故亦應摘除病腎。
結核菌可經腎臟下傳至輸尿管，侵犯輸尿管黏膜、黏膜固有層及肌層。結核結節於黏膜上形成表淺潛行的潰瘍，其基底為肉芽組織，可發生明顯的纖維化而使輸尿管增粗、變硬，形成僵直的條索，管腔節段性狹窄，甚至完全閉塞。輸尿管狹窄多見於輸尿管膀胱連接部的膀胱壁段，其次為腎盂輸尿管連接部，中段者少見。
膀胱結核繼發於腎結核，最初結核結節出現在患側輸尿管口附近，然後向其他部位擴散，蔓延至三角區及整個膀胱。結核結節呈淺黃色粟粒樣，可相互融合，壞死後形成潰瘍。潰瘍病變侵及肌層，發生嚴重纖維組織增生和瘢痕收縮，使膀胱容量變小，達到50ml以下，稱為“攣縮膀胱”。膀胱纖維組織增生，可使輸尿管口狹窄或閉合不全，形成洞穴狀。二者可因梗阻或排尿時尿液向輸尿管反流，致使腎積水;閉合不全還可使膀胱內感染的尿液上行感染對側腎臟。膀胱病變嚴重、潰瘍深在時，可穿透膀胱壁，向陰道或直腸內穿孔形成膀胱陰道瘻或膀胱直腸瘻。
腎結核男性患者中約50%～70%合併生殖繫結核病。男性生殖繫結核雖主要從前列腺和精囊開始，但臨床最明顯的為附睪結核。在併發生殖繫結核的腎結核病人中，約40%患者附睪結核出現在腎結核之前或與之同時出現。
尿道結核主要病理改變為潰瘍和狹窄，引起排尿困難和尿道瘻並可加重腎臟損害。
