引起尿毒癥的毒性物質尚未完全明了。雖然血尿素含量多少可反映尿毒癥的嚴重程度，但除尿素外，其他代謝產物和毒性物質如胍也有重要作用。尿毒癥的發生不是某一種毒素單獨作用引起，而是多種因素綜合作用的結果。尿毒癥患者的病機通常有以下幾種表現：
1、皮膚尿毒癥病人皮膚常呈灰黃色并有瘙癢，皮膚的顏色與貧血和尿色素(urochrome)在皮膚內積聚有關。體內蓄積的尿素可通過汗腺排出，在皮膚表面形成結晶狀粉末稱為尿素霜，常見于面部、鼻、頰等處。瘙癢的原因不清楚，可能與尿素對神經末梢的刺激有關。
2、神經系統腦組織中大量尿素沉積，滲透壓增高，可引起腦水腫，有時有點狀出血和小軟化灶。毒性物質并可損傷神細胞引起神經細胞變性，血管通透性增高加重腦水腫。尿毒癥晚期病人可出現昏睡、抽搐、木僵、昏迷等癥狀。
3、有些病人可有周圍神經的癥狀和感覺異常、四肢麻木、燒灼感等。其發生原因還不清楚，可能與甲基胍的含量增高有關。