目前认为锂引起多尿和烦渴可能有多种机制，其中可以肯定的，而且起主要作用的机制是一种肾性尿崩，这是一种发生在远曲小管远端部分和集合管的损害，以对内源性和外源性加压素敏感性受损为特征，发生这种损害的部分机制是锂对抑制腺苷酸环化酶，使加压素引起的cAMP的生成受损，但是cAMP的生成受损可能不是这种毒性作用的唯一机制，此外，在大鼠进行的研究表明锂并不改变离体灌注乳头对加压素的反应性，并且提示在接受锂治疗的大鼠血浆中存在一种因子，后者能在远端肾单位受体部位干扰加压素的作用。
在接受锂制剂治疗而出现多尿和烦渴的患者，水负荷过程中的无电解质水生成未受损，但其在缺水情况下重吸收无溶质水的能力明显减低，服用噻嗪类利尿药之后前述两种症状都能减轻，在肾性尿崩时噻嗪类利尿药可通过减少向远端肾单位的水的输送而产生抗利尿作用，这种作用是通过利钠利尿，减少细胞外容量，降低肾小球滤过率和增加近端小管钠和水重吸收分数实现的，噻嗪类利尿药同时使锂的重吸收亦增加，可能引起快速的锂排泄，保钾利尿药Amiloride能通过抑制远端小管细胞对锂的摄取，减轻锂引起的多尿。
除尿浓缩能力受损外，严重病例还可有远端部位尿酸化障碍，Perez等报道本病多数病例有这种障碍，但Donker等在28例服用锂剂的个体中只发现2例在酸负荷后尿酸化不能达到pH5.4，而Coppen等在服用锂剂分别达1～12.5年的16例个体未发现尿酸化功能障碍。
研究发现：只要血浆碳酸氢根水平正常，碳酸氢根排泄分数很小，而且尿中磷和氨排泄分数均正常，提示锂引起的尿酸化障碍发生在远端而非近端小管。
人和动物急性锂中毒均可导致急性肾功能衰竭，其机制涉及小管细胞变性和坏死，Evan和Ollerich对本病超微结构变化的研究发现，有线粒体肿胀，粗面内质网扩张和顶端胞质膨大，在由锂中毒引起的人体急性肾功能衰竭，有肾小管坏死发生。
目前多数学者的研究未提示接受锂治疗的疗程与功能损害的程度有明显相关性，有人对7例发生急性肾功能衰竭的锂治疗患者进行了肾活检，结果显示主要改变为间质纤维化和局灶性小管萎缩，这些病理改变显然与急性肾功能衰竭不相关，另有一项肾活检研究，同时观察了一组与急性锂中毒有关的急性肾功能衰竭患者和一组无急性毒性表现的锂治疗患者，结果发现：以往被认为与急性毒性有关的间质白细胞浸润，小管扩张和变性等病理改变在两组无显著差异，而急性缺血性小管坏死并未在有急性肾功能衰竭的急性锂中毒患者中见到。
