Một khi đã gắn vào bề mặt tế bào vi khuẩn, một số tác nhân gây bệnh tiếp tục tiến sâu vào hơn nữa trong cơ thể vật chủ để tiếp tục chu trình nhiễm trùng. Quá trình này gọi là sự xâm nhập (invasion). Có thể chia quá trình xâm nhập thành hai loại: nội bào và ngoại bào.

Xâm nhập ngoại bào xảy ra khi tác nhân gây bệnh phá vỡ các rào cản của tổ chức để phát tán đến các vị trí khác trong cơ thể nhưng bản thân chúng vẫn tồn tại bên ngoài tế bào vật chủ. Phương thức xâm nhập ngoại bào được sử dụng bởi liên cầu khuẩn tan máu β nhóm A (Group A β-haemolytic streptococcus) và tụ cầu vàng (Staphylococcus aureus). Các chủng vi khuẩn này tiết một số enzyme phá hủy các phân tử của tế bào vật chủ:

• Hyaluronidase: cắt đứt các proteoglycan ở tổ chức liên kết.
• Streptokinase và staphylokinase: phá hủy các cục fibrin.
• Lipase: giáng hóa các loại mỡ của vật chủ được tích tụ lại
• Nuclease: tiêu hủy các RNA và DNA được giải phóng ra.
• Các haemolysin tạo các lỗ thủng trên màng tế bào có khả năng ly giải không chỉ các hồng cầu mà cả các loại tế bào khác nữa. Haemolysin cũng tham gia vào sự phát tán vi khuẩn rộng hơn trong tổ chức vật chủ.
• Elastase của trực khuẩn mủ xanh có khả năng giáng hóa các phân tử ngoại bào và giúp vi khuẩn xâm nhập tổ chức với các biểu hiện lâm sàng như viêm màng keratin, hoại tử tổ chức trong bỏng và tạo các xơ nang.

Khả năng xâm nhập ngoại bào cho phép các tác nhân gây bệnh này tạo ra các chỗ ẩn nấp trong tổ chức và tại đó chúng có thể tăng sinh rồi phát tán vào các vị trí khác của cơ thể cũng như sản xuất các độc tố và khởi động các đáp ứng viêm. Các tác nhân gây bệnh xâm nhập ngoại bào cũng có thể đi vào bên trong tế bào và sử dụng cả hai con đường xâm nhập nội bào và ngoại bào.

Xâm nhập nội bào xảy ra khi các vi sinh vật thực sự đi vào bên trong tế bào của vật chủ và sống trong môi trường nội bào này. Một số các tác nhân gây bệnh là vi khuẩn Gram âm, vi khuẩn Gram dương và các Mycobacteria có khả năng sống bên trong tế bào. Các tế bào thực bào lẫn tế bào không có chức năng thực bào đều là đích tấn công của các tác nhân này. Một số tác nhân gây bệnh có đời sống ký sinh nội bào bắt buộc nghĩa là chúng buộc phải sống bên trong tế bào các động vật có vú mới có thể phát triển được. Các tác nhân này bao gồm Chlamydia, Rickettsia và Mycobacterium leprae. Các chủng vi khuẩn khác thuộc loại ký sinh nội bào không bắt buộc chỉ sử dụng khả năng xâm nhập nội bào như là phương tiện để tăng sinh và phát tán đến các tổ chức khác.