缺氧缺血后腦部先出現水腫、軟化、出血和壞死，以后形成空洞、腦室內、珠網膜下、硬膜下都可能出血、病程長者腦部可能萎縮。
1、大腦病變足月兒的病變多在腦皮質，除水腫外尚有出血和壞死。形成小囊空腔后稱多囊腦(spelencephaly)，如形成大空洞稱為空洞腦(porencephalen)。
2、顱內出血早產兒出血部位多在室管膜下和腦室內，足月兒多在大腦實質內(IpH)。其他如硬膜下出血(SDH)和蛛網膜下腔出血(SAH)在足月兒和早產兒都可發生。
3、腦干病變病變在腦干神經核或白質部痊。腦干也可因腦皮層的病變而出現繼發必萎縮。
缺氧缺血性腦病多因是足月兒窒息引起，窒息愈嚴重，時間愈長，腦病愈嚴重，后遺癥發生率也愈高。本病也可發生在早產兒，表現為腦室周圍白質的軟化(periventricularLeukomalacia,pVLM)