研究認為，內毒素有促進無氧酵解的關鍵酶作用，體內代謝的中間產物，如乳酸、丙酮酸及甘油等物質，可經ATP依賴膜轉運系統進入肝、肌肉細胞內，并轉化為葡萄糖或以糖原形式貯存于肝臟和肌肉內，這一過程為糖異生。內毒素血癥時，血糖的維持主要依賴于糖異生，此時由于肌肉分解，無氧酵解增加，中間代謝產物可進入肝轉化為葡萄糖。但在內毒素血癥后期，糖異生降低，可導致低血糖反應。內毒素血癥后期，1，6-二磷酸果糖和6-磷酸果糖間的酶促反應受到抑制，內毒素又有抑制果糖磷酸酶的作用，最后使1，6-二磷酸果糖積聚，血濃度增加，并可反饋性地激活丙酮酸激酶，降低磷酸丙酮酸水平，使糖異生減少。

三羧酸循環和電子傳遞均伴有ATP生成，ATP是維持各種代謝的能源物質。有研究認為，內毒素及敗血癥早期，腺苷酸水平沒有改變。而另有實驗表明，出血和內毒素休克早期，鼠肝臟線粒體能量生成嚴重受抑，盡管組織灌注良好，肝臟能量轉換卻減少，線粒體氧化還原反應時間延長，提示肝臟原發性能量代謝改變不是缺氧所致。

在內毒素休克時，其他能量依賴反應如跨膜離子轉運也受抑制，內毒素血癥早期，肝臟線粒體能量依賴鈣離子積聚明顯抑制，線粒體內膜對鉀離子的通透性增加，此時能量供應仍是足夠的。導致跨膜離子轉運障礙的機制可能與組織代謝產物、細胞因子及其他炎癥介質、缺氧等綜合因素作用下使線粒體膜受損致通透性增加有關。腎臟線粒體損傷可表現得更早，但心臟和骨骼肌中很少有線粒體損傷的表現。就此即可解釋為何在MODS時心肌及骨骼肌受累較少。

一般認為，內毒素休克或敗血癥時，交感神經興奮，兒茶酚胺釋放增多，外周血管阻力和心率增快，使有效循環血量及靜脈回流減少，心排血量下降，相對不重要的組織器官灌注減少，導致細胞代謝障礙。缺氧誘發葡萄糖無氧代謝后，乳酸產生增多，這也是造成內毒素血癥酸中毒的主要原因。微循環障礙使ATP產生受到抑制，ATP酶功能受影響，膜的通透性增加，并引起細胞水腫、功能喪失。上述情況早期一般可出現在一些相對不重要的器官，如處理有效可免于導致MODS，但如果疾病進一步發展，微循環擴張、淤血，有效循環血量不足，則相對較重要的器官如肝、腎、心、肺、腦等微循環也受影響.由于灌注不足可導致器官組織發生如下變化：①無氧代謝增加。②能量缺乏。③物質分解，如蛋白和脂肪。④膜功能失調。最后致MODS或MOF。

缺氧是MODS發生的主要因素之一，但有時在氧供充分的情況下，組織仍可缺氧，這主要是因為內毒素血癥時外周組織產生大量的乳酸并造成代謝性酸中毒，各組織細胞由于酸中毒而對氧的攝取能力降低以及紅細胞釋放的氧減少所致。此時，如果測定組織氧濃度尚可在正常范圍內，但組織已有缺氧。