นอกเหนือจากอาการที่เกี่ยวข้องกับการติดเชื้อแล้ว ลักษณะของภาวะพิษเหตุติดเชื้อคือมีการอักเสบแบบเฉียบพลันขึ้นทั่วร่างกาย และมักมีไข้และปริมาณเม็ดเลือดขาวสูง (เม็ดเลือดขาวมากเกิน; leukocytosis) หรืออาจมีเม็ดเลือดขาวต่ำและอุณหภูมิร่างกายต่ำกว่าปกติและอาเจียนก็ได้ แนวคิดของภาวะพิษเหตุติดเชื้อในสมัยใหม่กล่าวว่าการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันของร่างกายเป็นต้นเหตุของอาการส่วนใหญ่ในภาวะนี้ อันเป็นผลให้มีการเปลี่ยนแปลงทางโลหิตพลศาสตร์และเกิดความเสียหายของอวัยวะ การตอบสนองของร่างกายนี้มีคำเรียกว่ากลุ่มอาการตอบสนองต่อการอักเสบทั่วร่างกาย (systemic inflammatory response syndrome; SIRS) โดยมีอาการของอัตราการเต้นของหัวใจเร็วขึ้น (มากกว่า 90 ครั้งต่อนาที) อัตราการหายใจเร็วขึ้น (มากกว่า 20 ครั้งต่อนาที หรือความดันย่อยของคาร์บอนไดออกไซด์ในเลือดมากกว่า 32) ปริมาณเม็ดเลือดขาวผิดปกติ (มากกว่า 12,000, น้อยกว่า 4,000 หรือมีเม็ดเลือดขาวตัวอ่อน (band form) มากกว่า 10%) และอุณหภูมิร่างกายสูงหรือต่ำกว่าปกติ คือต่ำกว่า 36 °C หรือสูงกว่า 38 °C ภาวะพิษเหตุติดเชื้อแตกต่างจาก SIRS ตรงที่ภาวะพิษเหตุติดเชื้อจะปรากฏเชื้อโรคที่ทราบหรือสงสัยว่าเป็นสาเหตุ ตัวอย่างเช่นผู้ป่วยที่มีภาวะ SIRS และมีผลเพาะเชื้อจากเลือดเป็นบวกบ่งบอกว่าผู้ป่วยเป็นภาวะพิษเหตุติดเชื้อ อย่างไรก็ตามผู้ป่วยภาวะพิษเหตุติดเชื้อหลายรายก็ไม่สามารถระบุเชื้อก่อโรคต้นเหตุที่จำเพาะได้

การตอบสนองทางภูมิคุ้มกันทำให้เกิดการกระตุ้นโปรตีนในระยะเฉียบพลัน (acute-phase proteins) อย่างกว้างขวาง อาทิระบบคอมพลิเมนท์ (complement system) และวิถีการแข็งตัวของเลือด (coagulation pathways) ซึ่งทำให้เกิดความเสียหายต่อหลอดเลือดเช่นเดียวกับอวัยวะ นอกจากนี้ยังมีการกระตุ้นระบบประสาทร่วมต่อมไร้ท่อที่ทำหน้าที่ควบคุมการทำงานของร่างกาย ทำให้เกิดปัญหาต่างๆ ในร่างกายซึ่งแม้จำให้การรักษาอย่างทันทีและแข็งขันก็อาจทำให้เกิดกลุ่มอาการการทำหน้าที่ผิดปกติของหลายอวัยวะ (multiple organ dysfunction syndrome) และเสียชีวิตได้ในที่สุด