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Una sobreinfección es una segunda infección superpuesta a la anterior, especialmente por parte de diferentes agentes antimicrobianos de origen exógeno o endógeno, que es resistente al tratamiento contra la infección en primer lugar. Ejemplos de esto en bacteriología son el crecimiento excesivo de Clostridium difficile endógeno que se produce después del tratamiento con un antibiótico de amplio espectro, y la neumonía o sepsis de Pseudomonas aeruginosa en algunos pacientes inmunodeprimidos.
En virología, la definición es ligeramente diferente. La sobreinfección es el proceso por el cual una célula que ha sido infectada previamente por un virus se infecta conjuntamente con una cepa diferente del virus, u otro virus, en un momento posterior. Las superinfecciones virales pueden ser resistentes al medicamento antiviral o a los medicamentos que se estaban usando para tratar la infección original. Las superinfecciones virales también pueden ser menos susceptibles a la respuesta inmunitaria del huésped. Análisis metagenómicos recientes han demostrado que el nuevo coronavirus, el SARS-CoV-2, puede asociarse con la sobreinfección y colonización de otros patógenos, como las especies de rinovirus y Moraxella spp.
En parasitología, la sobreinfección es una reinfección del mismo género de parásitos, como una persona infectada por Fasciola hepatica nuevamente infectada por Fasciola gigantica.