Bei einer Blutvergiftung (Sepsis) kommt es durch Erreger und deren Produkte, die durch eine Eintrittspforte in die Blutbahn eingedrungen sind und auch Organe besiedelt haben, zu einer systemischen Bekämpfungsreaktion des gesamten Organismus mit der ungehemmten Freisetzung von Substanzen, welche das Gerinnungs-, Abwehr- und Entzündungssystem aktivieren. Sie ist lebensgefährlich und kann mit einem Multiorganversagen einher gehen. Bei den Erregern handelt es sich in der Regel um Bakterien. Eine Blutvergiftung (Sepsis) ist eine gefährliche und gefürchtete Komplikation einer Vielzahl von Erkrankungen.
Solche Reaktionen können auch durch andere Ursachen wie Verbrennungen, Traumata oder Gifte ausgelöst werden. Man bezeichnet dies als SIRS (systemic inflammatory response syndrome). Darunter wird ein Überbegriff verstanden, der eine Entzündungsreaktion meint, die den ganzen Organismus betrifft, verschiedene Ursachen haben kann und mit einer Endorganschädigung einhergeht. Die Blutvergiftung ist die häufigste Ursache eines SIRS und wird durch Erreger (in der Regel Bakterien) ausgelöst.

Die Abwehrzellen des Körpers reagieren auf eine Blutvergiftung mit einer sehr starken Abwehrreaktion. Meist handelt es sich bei den Erregern um Bakterien, die durch eine Eintrittspforte in den Körper gelangen. Nachdem sie die lokale Abwehr überwunden haben, gelangen sie in die Blutbahn. Es wird eine Entzündung ausgelöst. Dabei können die Bakterien selbst oder deren Abbauprodukte bzw. von ihnen ausgeschüttete giftige Stoffe (Toxine) entzündlich wirken. Bestimmte Abwehrzellen, die Fresszellen (Monozyten/Makrophagen), schütten nach ihrer Aktivierung durch Kontakt mit den Erregern bestimmte Stoffe (Zytokine) aus, die in hoher Dosis zum einen direkt schädigend auf das Gewebe wirken können, zum anderen die Entzündungsreaktion weiter fördern, indem sie weitere Abwehrzellen (z.B. Granulozyten) aktivieren, welche wiederum selbst entzündungsfördernde Substanzen ausschütten. Bei diesen Substanzen handelt es sich um Zytokine. Man versteht darunter Eiweiße, welche bestimmte Zielzellen dazu anregen, zu wachsen, sich weiter zu entwickeln und sich zu vermehren.

Im Falle der Blutvergiftung werden dann bei dieser starken Abwehrreaktion durch diese Zytokine massiv gewebegiftige Substanzen produziert. Zu diesen giftigen Substanzen zählen u.a. freie Sauerstoffradikale und Stickstoffmonoxid (NO). Zudem bewirken die Zytokine an den Zielzellen auch eine Freisetzung bestimmter Mediatoren, also von Botenstoffen, die auf die verschiedenen Schichten der Blutgefäße und Zellen bzw. Geweben wirken. Kleinste Gefäße werden in ihrer Struktur und Funktion verändert. So können sie sich weiten und die Wände durchlässiger werden. In der Folge tritt Flüssigkeit ins umliegende Gewebe über (interstitielles Ödem). Auch das Gerinnungssystem wird aktiviert. So ist die Gerinnungsbereitschaft des Blutes verändert und es kommt zur Bildung von Gerinnseln. Die Durchblutung kann nicht adäquat gewährleistet werden, das Gewebe ist mit Sauerstoff unterversorgt, was man als ischämisch-hypoxischer Zellschaden bezeichnet.
Doch es sind nicht nur die kleinsten Blutgefäße betroffen. Auch die größeren und großen Gefäße weiten sich, vor allem in peripheren Regionen, also z.B. der Arme und Beine, was wiederum Auswirkungen auf den Blutdruck hat. Zu Beginn begegnet der Körper diesem Widerstandsabfall mit einem beschleunigtem Herzschlag (Herzrasen) und damit vermehrten Blutauswurfvolumen, um den Blutdruck aufrecht zu erhalten. Nach einiger Zeit, wenn dann auch der Herzmuskel angegriffen wird, kann der Körper dies jedoch nicht mehr kompensieren, der Blutdruck sinkt ab. Da der Herzmuskel von der Unterversorgung ebenfalls betroffen ist, können zunehmend die Gewebe nicht mehr versorgt werden bis es zu einem Schock kommt.