大體觀察雙肺為彌漫的 橡膠樣 硬度改變，并有重量增加。 顯微鏡下雙肺內帶病變突出，發現肺泡含有豐富蛋白的 纖維素性水 溶液，有時有 致密的透明塊，可有 單核細胞浸潤，肺泡的基底膜和小血管 淀粉樣沉淀，還可有肺出血和含鐵 血黃素沉著，后者可導致纖維化。20%病例有纖維蛋白性胸膜炎。隨病程的反復遷延，肺水腫反復發作和肺鈣化，尸檢常見肺纖維化，雙肺呈彌漫性斑片狀改變，或纖維組織取代整個亞段。
尿毒癥性肺炎的病理表現為彌漫性的橡膠樣改變，或稱為硬性水腫，同時伴有肺重量的增加，鏡下改變為典型的肺水腫，肺泡毛細血管擴張、淤血、肺泡膜增厚、肺泡間隔水腫、肺泡內含有豐富蛋白的纖維樣滲出液，呈膠凍樣，易凝固。嚴重時有出血性和纖維素性肺水腫，肺泡壁細胞脫落，可見巨噬細胞及單核細胞浸潤，有時可出現透明膜形成。反復發生的尿毒癥肺水腫造成肺間質纖維化和肺泡內含鐵血黃素沉著。約20%伴有纖維蛋白性胸膜炎。尿毒癥性肺水腫不同于其他的肺水腫，一般認為其發生與血尿素氮及血肌酐的水平升高呈相關關系。尿毒癥患者的血液中存在著尿毒癥毒素，為一種小分子胍類物質，這種物質可導致肺泡毛細血管通透性增加，導致含蛋白的液體外溢至肺泡和肺間質，發生 肺水腫。鈉水潴留是引起尿毒癥肺水腫的另外一個原因。另外老年尿毒癥患者多伴有左心功能衰竭，其在尿毒癥肺水腫的發生、發展過程中也起著重要的作用。血漿膠體滲透壓降低，如大量蛋白尿、營養不良、貧血，導致液體滲出到間質，引起肺間質水腫。體內自由基增多，而患者全身抗氧化能力下降，不能迅速有效地消除這些超氧陰離子，導致在清除異物的同時，加劇組織損傷。