Ce sont des bactéries possédant des facteurs de pathogénicité leur permettant de coloniser la muqueuse du tractus urinaire. E. coli est le plus impliqué. Quelques sérogroupes d'E.coli, dits uropathogènes, provoquent la majorité des infections (O1, O2, O4, O6, O7, O8, O75, O150, A18ab). Les antigènes K et H associés sont aussi importants dans la virulence.
La pathogénicité des bactéries est liée principalement à la présence de facteurs d'adhérence à la muqueuse du tractus urinaire (ex : adhésines fimbriales des colibacilles uropathogènes), mais aussi à la résistance à l'activité bactéricide du sérum, à la production d'hémolysines, de sidérophores (aérobactine), de quantités importantes d'antigènes capsulaires (K1, K5, K12).
Certaines bactéries peuvent s'adapter au pH acide ou libération d'uréase alcalinisant les urines.