Mekanisme yang diusulkan dari ensefalopati uremik adalah akumulasi neurotoksin. Lebih dari 130 bahan kimia telah diidentifikasi sebagai neurotoksin potensial. Contohnya adalah urea, indoksil sulfat, senyawa guanidin, asam indolat, fenol, dan karnitin. Lanthionine, turunan dari asam amino yang mengandung sulfur, baru-baru ini dikenal sebagai toksin uremik. Peran senyawa individu ini dalam menghasilkan gambaran klinis ensefalopati uremik tidak jelas. Penelitian sains yang lebih mendasar diperlukan untuk menguraikan fungsi bahan kimia ini dalam menyebabkan ensefalopati uremik. Kelompok kerja Racun Uremik Eropa (EUTox) adalah konsorsium internasional peneliti akademis dan medis yang berusaha untuk memahami peran senyawa ini. Bahan kimia ini termasuk dalam kelompok yang beragam dan tidak terkait seperti peptida, ion, produk lipid, dan metabolisme karbohidrat. Tidak ada klasifikasi ideal toksin uremik. Berdasarkan sifat fisikokimianya, toksin uremik dapat diklasifikasikan sebagai molekul yang larut dalam air, terikat protein, dan menengah.