Pathophysiologisch können bei der Entstehung des anaphylaktischen Schocks zwei grundsätzliche Mechanismen unterschieden werden: Die IgE-vermittelten (allergischen) und die IgE-unabhängigen (nicht-allergischen) Reaktionen. Für die Behandlung spielt diese Differenzierung allerdings keine Rolle. 

Die anaphylaktische Reaktion ist klassischerweise eine IgE-vermittelte Sofortreaktion (Typ I Reaktion nach Gell und Coombs) des Immunsystems auf ein Antigen, gegen das bereits eine Sensibilisierung stattgefunden hat. Zu den typischen Allergenen gehören Antibiotika, Insekten- und Schlangengifte, Impfstoffe, Seren und Inhaltsstoffe von Nahrungsmitteln. Sie werden über die Haut, die Verdauungsorgane, die Atemwege oder intravenös aufgenommen. 

Allergen-spezifische IgE-Antikörper, die bereits im Körper des Allergikers zirkulieren, sind über spezielle Rezeptoren an die Oberfläche von Mastzellen und Basophilen gebunden. Treffen Allergenmoleküle auf diese Antikörper-Zell-Komplexe kommt es zu einer Vernetzung von benachbarten IgE-Antikörpern. Dies führt letztlich zu einer Freisetzung von Botenstoffen wie etwa Histamin aus den Immunzellen. Histamin wiederum bindet an die H1-Rezeptoren der Blutgefäße. Als Folge erweitert sich das Gefäß und erhöht seine Durchlässigkeit.

Die anaphylaktoide Reaktion läuft dagegen auch ohne vorherige Sensibilisierung ab. Die Freisetzung von Botenstoffen aus Mastzellen und Basophilen kann durch chemische, physikalische oder osmotische Reize aktiviert werden – ohne die Mitwirkung von IgE. Typische Auslöser sind Kontrastmittel, Salicylate oder Opiate.