Vi khuẩn được chia thành hai nhóm chính dựa trên sự khác biệt cấu trúc vách tế bào (cell wall): vi khuẩn Gram dương và vi khuẩn Gram âm. Vách tế bào của cả hai nhóm đều chứa các thầnh phần gây độc được xem là những yếu tố độc lực mạnh đóng vai trò trung tâm trong quá trình bệnh sinh của sốc nhiễm trùng huyết.

Các thành phần độc tố của vách tế bào không nhân là những thành phần cấu trúc cơ bản rất ít giải phóng vào môi trường xung quanh nếu tế bào không bị chết và bị ly giải. Một điều trái khoáy là các kháng sinh sử dụng trong lâm sàng lại làm giải phóng một lượng lớn các thành phần gây độc này. Do đó lại làm xấu hơn tình trạng bệnh sẵn có cũng như tiên lượng của bệnh nhân. Nhiều bằng chứng khoa học cho thấy rằng vi khuẩn Gr (-) và vi khuẩn Gr (+) cùng dùng chung một chiến lược để gây nhiễm khuẩn huyết.

Nhiễm trùng huyết là hậu quả từ các tác động liên hợp của cytokine, các thành phần bổ thể và các thành phần của con đường đông máu. Các thành phần của vách vi khuẩn có thể gây nên sự sản xuất hoặc hoạt hóa các chất trung gian điều hòa này. Thật vậy, các biến cố trực tiếp gây nên nhiễm trùng huyết là quá trình giải phóng các nội độc tố (endotoxin hay lipopolysaccharide) hoặc giải phóng các thành phần gây độc khác của vách vi khuẩn vào trong hệ tuần hoàn.

Lipopolysaccharide (LPS) vi khuẩn là một phân tử lưỡng tính nằm trong lớp màng ngoài của vách vi khuẩn Gram âm thường được xem là yếu tố chính chịu trách nhiệm trong quá trình gây nên sốc nhiễm trùng huyết. Thụ thể chính của LPS là CD14, một marker bề mặt của đại thực bào. Lipid A, thành phần gây độc của phân tử LPS, gây nên sự giải phóng hàng loạt các cytokine gây viêm và hoạt hóa hệ thống bổ thể và con đường đông máu. Các nghiên cứu gần đây cho thấy các thụ thể giống Toll (Toll-like receptor), cytokine viêm, eicosanoid, gốc tự do oxy hóa, yếu tố ức chế di chuyển đại thực bào, các protein kinase truyền tín hiệu và các yếu tố sao mã đều đóng vai trò quan trọng trong sinh bệnh học của sốc nhiễm trùng huyết do vi khuẩn Gram âm.

Các mảnh Peptidoglycan và teichoic acid trong vách tế bào vi khuẩn Gram dương có khả năng tạo nên nhiều hiệu ứng sinh lý bệnh giống như LPS. Peptidoglycan và teichoic acid của vi khuẩn Gram dương là thành phần khởi động chính của nhiễm trùng huyết do nhóm vi khuẩn này.

Các thành phần của vách tế bào ở cả vi khuẩn Gram âm và vi khuẩn Gram dương đều tác động chủ yếu thông qua khởi động đáp ứng viêm bằng cách hoạt hóa các monocyte, đại thực bào. Các tế bào này khi được hoạt hóa sẽ giải phóng một loạt các cytokine, đặc biệt là TNF α và interleukin-1. Mặc khác, cả nội độc tố lẫn peptodoglycan đều có thể hoạt hóa hệ thống bổ thể. Sự hoạt hóa này lại làm giải phóng TNF α từ các monocyte và gây nên tập trung các bạch cầu trung tính và làm co mạch phổi. Như vậy, bất kể nhiễm trùng huyết gây nên do vi khuẩn Gram dương hay vi khuẩn Gram âm, dấu hiệu và triệu chứng nhiễm trùng đều khá tương tự nhau.