Auslöser für Durchfall können verschiedene Mikroorganismen sein: Meist sind es Viren, Bakterien und Parasiten, deren Aufnahme in aller Regel mit fäkal verseuchtem Wasser und Nahrungsmitteln oder mechanisch über verunreinigte Hände erfolgt. Viral bedingte Infektionen werden weltweit am häufigsten durch die verschiedenen Gruppen des Rotavirus verursacht.
Als bakterielle Durchfallerreger sind Escherichia coli und Campylobacter vorherrschend. Shigellen verursachen einen blutigen Durchfall, auch Shighellendysenterie genannt. Die Choleraerreger gehören ebenfalls zu der Gruppe der Bakterien. Indem sie die Ausscheidung von extremen Flüssigkeitsverlusten bewirken, führt der Choleradurchfall rasch zum Tode.
Parasiten können anhaltenden, kräftezehrenden Durchfall verursachen; am häufigsten sind Infektionen, die durch Lamblien und Amöben ausgelöst werden.
Die unterschiedlichen Erreger der Diarrhoe wirken direkt oder mittels Toxinen (Giften) auf die Schleimhaut des Dünndarms ein und rufen eine vermehrte Ausscheidung von Flüssigkeit sowie Elektrolyten (Mineralstoffen) hervor. Es kommt zum Flüssigkeitsverlust (Dehydratation), der bei zusätzlichem Erbrechen noch rascher erfolgt. Bei Kindern geschieht dies besonders schnell und kann lebensgefährliche Folgen haben. Denn sowohl Wasser als auch Salze (hauptsächlich Natrium und Kalium) sind für das Funktionieren aller Körperzellen unentbehrlich.
Die bedrohlichen Flüssigkeitsverluste sind für Pflegepersonal und Ärzte an folgenden klinischen Zeichen erkennbar: Neben allgemeiner Unruhe und trockenen Schleimhäuten fallen die Patienten durch eingefallene Augenhöhlen und sinkende Hautspannung auf (bei Bildung einer Falte am Bauch bleibt diese wegen der fehlenden "Spannkraft" noch für einen Moment stehen). Der Puls wird schnell und schwach. Die Tränenflüssigkeit nimmt ab und die Urinproduktion versiegt. In diesem Stadium sind auch die inneren Organe mitbetroffen. Infolge des Wasser- und Elektrolytmangels sind in ihrer Funktion eingeschränkt, und es kann zum vollständigen Organversagen kommen. Erfolgt keine Therapie, erleidet der Patient einen Volumenmangelschock und fällt ins Koma. Sowohl ein Herzstillstand wie auch ein Multiorganversagen kann dann sofort zum Tode führen.