發病機理
近年來的研究表明，本病發病主要是由于各種原因所造成的內皮細胞損傷，其中尤以大腸桿菌及志賀痢疾桿菌Ⅰ型所產生的螺旋細胞毒素引起的內皮細胞損害為典型，其他如病毒及細菌產生的神經氨基酶、循環抗體以及藥物等均可引起內皮損傷。人類血管內皮細胞有接受螺旋細胞毒素的糖脂質受體（GB3），能以高親和力與毒素結合，霉素可抑制真核細胞合成蛋白，而致細胞死亡。腎小球內皮細胞損傷及死亡可造成內皮細胞與腎小球基底膜分離形成內皮下間隙并激發局部血管內凝血、纖維素血素沉積，從而減少濾過面積并改變濾過膜的通透性，導致腎小球濾過率下降及急性腎功能衰竭。
內皮細胞損傷，膠原暴露可激活血小板粘附及凝聚，紅細胞通過沉積的纖維素時可使之機械變形進而發生溶解。另一方面，存在于血小板及內皮細胞中的一種我聚糖蛋白von Willebrand因子（VWF）在細胞損傷后釋放也可加速血小板的粘附及凝聚。血管內皮損傷尚可使抗血小板凝聚的前列環素（PGI2）合成減少，而血小板凝后釋放出的促血小板凝聚的血栓素A2（TXA2）與PGI2作用相反，還可使血管收縮，這些因素均促進血栓形成，如此造成溶血性貧血及血小板減少。
嗜中性粒細胞浸潤所釋放的彈性蛋白酶及其他蛋白水解酶可增加內皮細胞及腎小球基底膜的損傷，并促使VWF裂解、抑制PGI2生長，促進血栓形成。此外，患本病時由于微生物的脂蛋白多糖及單核細胞產生的細胞因子如白細胞介素Ⅰ及腫瘤壞死因子的存在，可加重細胞毒素的作用，增加對內皮細胞的損害，促進血凝。
病理改變
主要病變在腎臟；近年來有報道在大腦、腎上腺、肝、脾、心肌及腸曾見到血栓形成及纖維素壞死。
光鏡下可見腎小球毛細血管壁增厚、管腔狹窄、血栓及充血。用希夫過碘酸（PAS）及過碘酸六亞甲基四胺銀（PASM）染色可見纖維素樣基質樣物質增生或輕重不同的緊小球基底膜（GBM）分裂，系膜增生及偶有新月體形成。急性期小動脈的損傷可表現為血栓形成及纖維素樣壞死。隨著治愈可見內膜纖維增生閉塞、中層纖維化，與高血壓血管病變相似。可有輕至重度小管間質病變。
免疫熒光鏡檢查可見沒腎小球毛細血管內及血管壁有纖維蛋白原、凝血Ⅷ因子及血小板膜抗原沉積。也可見IgM及C3沉積。
電鏡下典型的是內皮細胞增生、腫脹及內皮細胞與GBM之間形成內皮下間隙，其中有纖維素樣物質及脂質、上皮細胞足突融合。毛細血管壁增厚、管腔狹窄，管腔內可見到紅細胞碎片或皺縮的紅細胞。由于內皮細胞形成基底膜或偶有系膜插入而致GBM分裂。
上述變化可為局灶性，在較嚴重的病例可見廣泛的腎小球及血管血栓形成伴雙側皮質壞死。這些病變也可見于成人的HUS及血栓性血小板減少性紫癜（TTP）。故不少學者認為HUS與TTP是同一疾病不同的表現。后者發開門見山年齡大、預后差。