各种原因引起血管内溶血，大量血红蛋白游离至血浆中。血浆中游离的血红蛋白需与结合珠蛋白结合后被输送至肝脏分解，当血浆中增高的游离血红蛋白超过结合珠蛋白的结合能力时，大部分剩余的游离血红蛋白可通过肾排出（血红蛋白的肾阈为1.3g/L），形成血红蛋白尿。
某些疾病时可引起血红蛋白尿，仅在行军、长跑等运动后出现的血红蛋白尿称为运动性血红蛋白尿。