Trực khuẩn Gram âm là căn nguyên gây ra nhiều bệnh. Một số nằm trong hệ vi sinh vật đường ruột bình thường. Những vi sinh vật này nếu phối hợp với những vi sinh vật khác từ động vật hoặc môi trường có thể gây bệnh.
Viêm đường tiết niệu, tiêu chảy, viêm phúc mạc và nhiễm khuẩn huyết, thường gây ra bởi trực khuẩn gram âm.
Vi khuẩn Gram âm gây ra dịch hạch, bệnh tả, và thương hàn. Những bệnh nhiễm trùng này hiếm gặp ở Hoa Kỳ nhưng phổ biến hơn ở các khu vực trên thế giới có điều kiện vệ sinh kém và/hoặc nguồn cung cấp nước và thực phẩm không an toàn. Những nhiễm trùng này có thể nghiêm trọng.