במרבית המקרים, החיידקים המביאים להיווצרות הדלקת הם חיידקי מעיים שנדדו לדרכי השתן. נדידת החיידקים מתבצעת באופן עולה: החיידקים מגיעים לפתח השופכה, אשר אצל נשים קרובה יחסית לפתח פי הטבעת, ועולים במעלה דרכי השתן עד הגעתם לשלפוחית השתן ולעיתים עד הגעתם לכליה עצמה. בנוסף, בכל פעולת קיום יחסי אישות מגיעים חיידקים לפתח השופכה אצל נשים, אולם אין זה אומר בהכרח כי תתפתח דלקת בדרכי השתן כתוצאה מכך. גורמי הגנה של הגוף מהווים אמצעי לסילוק חיידקים אלו ולמניעת הדלקת. הגעת חיידקים לדרכי השתן דרך זרימת הדם (כלומר, באופן המטוגני) מתרחשת לעיתים נדירות. היא מתרחשת בפחות מ 2%- מן המקרים, ומקושרת להדבקה בחיידקים קשים יותר. לחלק מן החיידקים מתפתחת עמידות באזורים שונים בעולם. למשל, לאי קולי יש כיום זנים עמידים ביותר מחמישית מן המקרים לטיפול באנטיביוטיקה מסוג trimethoprim sulfamethoxazole (שמות מסחריים בישראל: רספרים, ספטרין, דיספטיל).
