Kiết lỵ là kết quả của nhiễm trùng đường ruột do vi khuẩn Shigella hoặc ký sinh trùng Entamoeba histolyca gây ra. Virus thường không gây ra bệnh. Những mầm bệnh này thường đến ruột già sau khi xâm nhập qua đường miệng, khi ăn phải thức ăn hoặc nước bị ô nhiễm, tiếp xúc bằng miệng với đồ vật hoặc tay bị ô nhiễm… Mỗi tác nhân gây bệnh cụ thể có cơ chế hoặc cơ chế sinh bệnh riêng, nhưng nhìn chung, hậu quả là làm tổn thương niêm mạc ruột, dẫn đến các phản ứng miễn dịch gây viêm.
Điều này có thể gây ra nhiệt độ vật lý cao , co thắt đau đớn của cơ ruột ( chuột rút ), sưng tấy do chất lỏng rò rỉ từ các mao mạch của ruột ( phù nề) và tổn thương mô hơn nữa bởi các tế bào miễn dịch của cơ thể và các hóa chất, được gọi là cytokine , được giải phóng để chống lại nhiễm trùng.
Kết quả là có thể làm giảm khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng, mất quá nhiều nước và khoáng qua phân do phá vỡ các cơ chế kiểm soát trong mô ruột vốn thường loại bỏ nước khỏi phân và trong trường hợp nghiêm trọng, sự xâm nhập của các sinh vật gây bệnh vào máu. Thiếu máu cũng có thể phát sinh do mất máu do tiêu chảy.
Nhiễm trùng do vi khuẩn gây tiêu chảy ra máu thường được phân loại là có thể xâm nhập hoặc sinh độc tố. Các loài xâm lấn gây tổn thương trực tiếp bằng cách xâm nhập vào niêm mạc. Các loài sinh độc tố không xâm nhập, nhưng gây tổn thương tế bào bằng cách tiết ra chất độc, dẫn đến tiêu chảy ra máu. Điều này cũng trái ngược với các chất độc gây tiêu chảy ra nước, thường không gây tổn thương tế bào.
Một số vi sinh vật – ví dụ, vi khuẩn thuộc giống Shigella – tiết ra các chất được gọi là độc tố tế bào, giết chết và làm tổn thương mô ruột khi tiếp xúc. Shigella được cho là gây chảy máu do xâm nhập hơn là do độc tố, vì ngay cả các chủng không sinh độc tố cũng có thể gây bệnh kiết lỵ, nhưng E. coli có độc tố giống shiga không xâm nhập niêm mạc ruột, và do đó phụ thuộc vào độc tố.