內毒素的主要生物學活性部位為脂質A，它通過肝臟分泌的脂多糖結合蛋白（LBP）與白細胞、單核-巨噬細胞上的CD14結合，形成LPS-CD14分合物。LBP可促進LPS與CD14的結合，曾有人認為LBP有清除內毒素的作用，但后來發現，LBP缺乏小鼠能耐受致死性LPS的作用，其內毒素的清除能力不受LBP影響。CD14在內毒素信號轉導中起著重要的作用，LPS 與CD14結合后可加速LPS快速轉位到細胞內，并導致細胞激活。有研究認為，低濃度內毒素的作用需由CD14介導，但高濃度內毒素的作用不需CD14，因此提示除CD14外還存在著其他內毒素受體。

有資料表明，CD11/CD18及最近發現的Toll樣受體4，可能為內毒素受體，并參與內毒素的信號轉導，但具體機制尚不完全清楚。酪氨酸激酶特別是HCK、Fgr 和 Lyn可能在LPS-CD14介導的信號轉導中起作用，但近來對hck^-1- fgr^{-1 -}lyn^-1-基因敲除的小鼠進行研究發現，受內毒素刺激后的該小鼠仍能正常分泌促炎介質及NO，因此認為該激酶在內毒素信號轉導中不起主要作用。

有人認為其他蛋白激酶在內毒素信號轉導中至關重要，包括蛋白激酶C和分裂原激活蛋白激酶MAPK。LPS誘導產生細胞因子的過程需要數個轉錄基因的激活，核轉錄因子（NF-κB）和核因子-白細胞介素-6（NF-IL-6）參與無數促炎細胞因子、組織因子、黏附蛋白分子及誘導型NO合成酶的基因轉錄。LPS是通過調節其抑制性亞單位（IκB）而激活NF-κB，NF-κB的激活需IκB的一系列磷酸化、泛化（ubiquitination）和分解（圖24-2）。
 

內毒素血癥時各組織器官可發生許多病理生理的反應。循環衰竭、白細胞誘導的組織損傷和凝血系統激活等在MODS（multipleorgandysfunctionsysndrome，多器官功能障礙綜合征）的發生發展中起著決定性的作用。內毒素血癥時所產生的各種表現與細胞所釋放的細胞因子有關，促炎介質包括TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-8和IL-12，它們在促炎反應中起著重要作用。NO是一種強力的血管擴張物質，除可致低血壓外，還有許多作用。

另外，血小板活化因子（PAF）、前列腺素、血栓烷、白細胞三烯在內毒素血癥時也起著重要作用。誘導型COX-2可使花生四烯酸轉為PGS、PGE、PGF PGI 及血栓烷，它在內毒素血癥中的作用也受到重視。再則，抗炎介質如 IL-10及IL-1受體拮抗劑等在炎癥反應中也起著調節作用。