1.血管內皮損傷致腎內微血管性溶血及血管內凝血血管內皮損傷是所有HUS發病機制的中心環節，也是始動環節，內皮細胞損傷可通過炎癥和非炎癥兩條途徑，STEC來源的脂多糖(LPS)可激活白細胞，激活中性粒細胞釋放TNFα，IL-1，內彈力酶及氧自由基，刺激細胞因子TNFα，IL-1的合成，LPS和細胞因子具有協同作用，可損傷內皮細胞，TNFα或LPS均可刺激接觸Stx的內皮細胞凋亡，引起血管內皮細胞損傷，各種原因所致腎臟毛細血管內皮細胞的損傷，引起纖維蛋白沉積，內皮細胞損傷表現為細胞腫脹，脫落，內皮細胞損傷后，基底膜暴露，激活血小板和導致局部血管內血栓形成，一方面因為紅細胞及血小板受到機械性損傷，造成微血管病性溶血性貧血和血小板減少，另一方面由于微血管病和內皮細胞的腫脹，在受損部位血小板黏附，聚集，形成血栓，引起腎內微血管的血栓栓塞，導致腎小球濾過率急劇下降，重癥可發生腎皮質壞死，最終發生急性腎功能衰竭。
2.Stx對腎小管上皮細胞的損傷作用 產生Stx的大腸埃希桿菌感染后，Stx進入血循環，與腎內皮細胞糖脂受體糖鞘脂受體結合，抑制內皮細胞蛋白合成，引起細胞壞死或凋亡，急性小管間質損傷可導致急性腎功能衰竭。
3.細菌毒素與神經氨酸酶直接損傷上皮細胞 細菌內毒素可使細胞因子釋放介導內皮細胞損傷，激活巨噬細胞使活性氧化代謝產物增加，激活中性粒細胞，增加細胞表面受體表達，促進白細胞聚集，致中性粒細胞介導的細胞損傷，此外還能激活補體與血小板活化因子而參與發病。
神經氨酸酶為一種有害因子，可損傷腎小球毛細血管內皮細胞而致病，肺炎雙球菌也能產生此酶。
4.血凝及纖溶異常 HUS時血栓素(TXA2)與血小板活化因子(PAF)等和前列環素(PGI2)之間的平衡遭破壞，HUS時受損的血管內皮細胞不能產生PGI2，內皮細胞產生PGI2的促進因子亦減少，PGI2降解加速，消耗增加，PGI2減少使血小板聚積，粘連作用加強，有利于血小板在受損的腎小球毛細血管壁沉積而發病，腎臟產生的PAF可促使血小板持續活化和血小板在腎小球毛細血管內沉積，促使血小板聚集與形成血栓，導致腎功能急劇惡化，血管內皮產生的纖維蛋白溶酶原活化因子減少，也容易形成血栓，血管內皮產生的巨大分子血管性血友病因子(VWF)多聚體促進血小板與受傷的血管壁黏附，促進血栓形成。
近來經研究認為下述因素最終導致凝血功能亢進，血小板黏附和聚集功能增強，而纖溶活性低下：
(1)炎癥介質：特別是TNFα，IL-6，IL-8，參與內皮細胞損傷及活化。
(2)血小板及凝血過程的激活。
(3)內皮細胞PGI產生減少。
(4)內皮細胞內皮素-內皮舒張因子失平衡。
(5)脂質過氧化物。
(6)循環免疫復合物及抗內皮細胞抗體。
5.免疫機制 HUS的發病可能與免疫有關，HUS發病前大部分病例有呼吸道或胃腸道感染，符合抗原-抗體反應的發病過程，部分患者于發病初期有IgA，IgM升高，C3下降，腎組織免疫熒光檢查可見IgM，C3，C1q，備解素及纖維蛋白原的沉積。
6.妊娠易致HUS的機制 孕婦血循環中的纖維蛋白原，第Ⅴ，Ⅶ，Ⅷ凝血因子均有不同程度的升高，同時纖溶能力降低，妊娠的某些合并癥(流產，胎盤早剝，子癇等)由于胎盤釋放出的凝血致活酶(thromboplastin)可導致凝血機制活化，更易促發孕婦在原有的高凝狀態下血管內凝血，在腎內形成微血栓而致病。
7.病理 嚴重受累的腎小球有充血，梗死，毛細血管內可見透明血栓，病變較輕者，毛細血管壁增厚，有嗜酸性，糖原染色呈弱陽性的透明物質沉積在內皮細胞與基底膜之間，系膜細胞增生也較明顯，電子顯微鏡下，內皮細胞損傷主要見于腎小球毛細血管和腎小動脈，顆粒狀或纖維狀電子致密物存在于內皮細胞及其與基底膜間的空隙，腎小球毛細血管內有大量血小板，毛細血管，內皮下和系膜有纖維素沉積。
受累的入球小動脈和葉間動脈壁發生纖維素樣壞死，可以見到內皮細胞的剝離，血栓內的纖維蛋白間的腔隙較腎小球毛細血管內形成的腔隙大，有小的動脈瘤形成，尤其在入球小動脈，腎皮質壞死可呈灶性，或累及全部。