流行性腦脊髓膜炎敗血癥期的主要病變為血管內皮損害，血管壁有炎癥、壞死和血栓形成，同時血管周圍有出血，皮下、粘膜及漿膜也可有局灶性出血。重癥流腦敗血癥的皮膚和內臟血管有內皮細胞壞死和脫落，血管腔內有血栓形成。皮膚、心、肺、胃腸道和腎上腺均有廣泛出血。心肌炎和肺水腫亦頗為常見。腦膜炎期的病變以軟腦膜為主，早期有充血，少量漿液性滲出及局灶性小出血點，后期則有大量纖維蛋白，中性粒細胞及細菌出現。病變累及大腦半球及顱底。顱底部由于膿性粘連壓迫及化膿性改變的直接侵襲，可引起視神經、外展神經、面神經、聽神經等顱神經短暫性、甚或永久性損害。此外，炎癥可沿著血管侵入腦組織，引起充血、水腫、局灶性中性粒細胞浸潤及出血。重癥流腦腦膜炎的腦組織病變嚴重，有明顯充血水腫，顱內壓明顯增高，可出現昏迷及驚厥等腦炎癥狀，部分病人有天幕裂孔疝及枕骨大孔疝，即出現瞳孔改變、偏癱、去大腦強直、呼吸衰竭等嚴重癥狀。少數慢性病人有腦室孔阻塞和CSF循環障礙而發生腦積水。