Sepsis syndrome bắt đầu với sự xâm nhập và tăng sinh của các vi khuẩn (gram dương, gram âm, nấm, hay siêu vi trùng) trong một khoang mô bình thường vô trùng. Nội mạc (endothelium) bị thương tổn bởi nhiễm trùng, chấn thương, hay những tác nhân khác, và sự khởi động của đáp ứng của hệ miễn dịch ký chủ bắt đầu. TNF alpha (tumor necrosis factor alpha), interleukin (IL)-6, và IL-8 được liên kết với sự hoạt hóa của một chuỗi dây chuyền viêm (inflammatory cascade) và hóa ứng động (chemotaxis) của các bạch cầu, các tế bào mono, và những đại thực bào. Các chất kháng viêm như IL-4, IL-10, prostaglandin, và những thành phần khác của hệ miễn dịch hoạt động để duy trì hằng nội môi (homeostasis) đứng trước một tấn công của nhiễm trùng. Hội chứng sepsis phát triển khi sự cân bằng giữa các chất làm dễ và kháng viêm (pro-and anti-inflammatory substances), bị mất.
Đường đông máu (coagulation pathway) đóng một vai trò quan trọng trong sepsis. Hệ bổ thể (complement system), hệ điều hoà mạch (vasoregulatory system) (niric oxide, bradykinin, prostaglandins), chuỗi dây chuyền đông máu (coagulation cascade) (yếu tố mô, protein C, thrombin, antithrombin III), và tiêu tơ huyết
(fibrinolysis) (fibrin, plasmin, và plasminogen-activating factor) cũng đóng một vài trò. Kết quả là sự phát triển một vòng luẩn quẩn đẩy mạnh thêm, cả tại chỗ lẫn toàn thân, quá trình viêm, sự phóng thích các gốc oxy tự do (oxygen free radicals), và sự lắng đọng các huyết khối vi huyết quản (microvascular thrombi), đưa đến thiếu máu cục bộ, thương tổn tái thông máu (reperfusion injury), và giảm oxy mô. Sự giảm oxy
mô toàn bộ góp phần vào sự hoạt hóa nội mô và làm phá hủy hơn nữa cần bằng hằng nội môi (homeostatic balance) trong sự đông máu, tính thẩm thấu huyết quản, và trương lực mạch máu. Đây là những cơ chế chủ yếu dẫn đến suy vi tuần hoàn, giảm oxy mô đề kháng, và loạn chức năng cơ quan.
Càng ngày càng rõ ràng rằng quá trình đông máu và viêm được liên kết mật thiết với nhau. Những công trình nghiên cứu mới đây đã cho thấy rằng các bệnh nhân với sepsis nghiêm trọng có những nồng độ bị thiếu hụt của proteine C, protein S, và antithrombin III. Việc cho protein C nơi các bệnh nhân với sepsis nghiêm trọng có vẻ làm giảm tỷ lệ tử vong bằng cách vừa điều hòa đường máu (coagulation pathway) vừa làm giảm phản ứng viêm.