腎盂腎炎感染的細菌主要來自尿路上行感染。當用各種器械檢查或者經尿道手術時，細菌可由體外帶入，經尿道上行感染。但更常見的是移居於會陰部的腸道細菌經尿道、膀胱、輸尿管至腎臟。尿路梗阻和尿流停滯是急性腎盂腎炎最常見的誘因。尿路在梗阻以上部位擴張和積液，有利於細菌繁殖，引起腎盂腎炎。
腎盂腎炎經常是由革蘭陰性桿菌所引起，約佔70%以上，其中大腸埃希桿菌最為常見，其次是變形桿菌、克雷白桿菌、產氣桿菌、銅綠假單胞菌等;革蘭陽性細菌約佔20%。常見的為鏈球菌和葡萄球菌。近年來研究發現有些大腸埃希桿菌株表面有P纖毛，其黏附素與尿路上皮細胞特異性P纖毛大腸埃希桿菌受體結合，黏附於尿路上皮引起急性腎盂腎炎。P纖毛的黏附素分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級，其中具有Ⅱ級黏附素的菌株與腎盂腎炎緊密相關。血行性感染僅約30%，多為葡萄球菌感染。
變形桿菌有很強的合成尿素酶的能力，尿素酶分解尿素，使尿液鹼化，導致磷酸鹽析出，形成磷酸鎂銨和磷酸鈣結石。克雷白氏桿菌合成尿素酶的能力較弱，但可合成其他有利於形成結石的物質。葡萄球菌可通過血液途徑侵入腎臟引起菌尿症和腎膿腫。厭氧菌引起的腎盂腎炎較罕見。
