La légionellose est due à une famille de bactéries, les légionnelles, qui contient une cinquantaine d'espèces différentes. Néanmoins, en France, la sous-espèce Legionella pneumophila sérotype 1 est responsable de la quasi-totalité des légionelloses pulmonaires déclarées (98 %).
Dans la nature, les légionnelles vivent dans les eaux douces (lacs, rivières, étangs, marais, sources, etc.) et les sols humides (terreaux, composts, etc.). Elles se reproduisent en infectant des amibes, des micro-organismes couramment présents dans les eaux douces. Elles survivent dans des eaux dont la température est comprise entre 30 et 60°C.
Les légionelles vivent également dans les eaux douces tièdes et chaudes des installations humaines : canalisations, pommeaux de douche, robinets, bains thermaux, mais également dans les climatiseurs, les humidificateurs, les brumisateurs de vapeur d'eau, etc. La grande majorité des contaminations humaines se fait à partie de ces installations.
Dans les collectivités (hôpitaux, hôtels, campings, immeubles, etc.), la présence de légionnelles dans les canalisations est favorisée par certains facteurs : température de l'eau chaude inférieure à 60°C, taille importante et vétusté des circuits, bras morts dans les canalisations, quantité de chlore dissous dans l'eau insuffisante, présence de micro-organismes et de dépôts organiques sur les parois internes des canalisations ("biofilm"), canalisations en fer, zinc, aluminium ou PVC, etc.