感染的途徑有血源性、鄰近感染擴散、外傷性和隱源性（也多為血源性）。
大多數微生物（如細菌、真菌或寄生蟲）均可引起中樞神經系統局灶性化膿性感染。引起腦膿腫的最常見的細菌是鏈球菌、葡萄球菌、腸道細菌和厭氧菌。多數腦膿腫為混合性感染。鏈球菌和革蘭陰性細菌，例如枸櫞酸桿菌沙門菌、沙雷菌屬、變形桿菌、腸菌屬和脆弱類桿菌屬等，是引起新生兒腦膿腫的常見細菌，在慢性中耳炎或粒細胞缺乏癥的患者，銅綠假單胞菌感染的發病率增加。在先天性或獲得性中性粒細胞缺陷、骨髓移植術后或HIV感染的患者，腦膿腫的發生率明顯增加且大多數由真菌引起。
常見的真菌是念珠菌和曲霉菌；隱球菌通常引起腦膜炎，但也可引起腦膿腫。芽生菌、組織腦漿菌和球孢子菌等也偶可引起腦膿腫。其他可引起腦膿腫的致病微生物包括溶組織阿米巴、棘阿米巴、血吸蟲、并殖吸蟲和弓形體。各種蠕蟲蚴體，如糞性圓線蟲、旋毛蟲、豚囊蟲等也偶可移行至中樞神經系統引起腦膿腫。