血管源性腦水腫的基本發病機制是微血管通透性增高。正常血腦屏障只容許一些小分子溶質通過，因腦毛細血管通透性很低，基外周幾乎被星形膠質細胞終足所包圍，后者被視為血腦屏障的組成部分(第二道屏障)。故平時組織間液幾乎不含蛋白，但血管源性腦水腫時的水腫液含較多蛋白質表明微血管通透性已增高。實驗觀察發現水腫中心區毛細血管內皮細胞的大小吞飲泡囊增多;用鐵蛋白作示蹤劑，發現該顆粒出現于吞飲泡囊中，游離于胞漿和基底膜內，停留于細胞間隙中，和出現于水腫組織中，從而判定水腫液是經內皮細胞內和細胞之間的通道滲出并擴展的。通透性增高的機制尚不詳知，可能與一些化學介質的作用有關。有人發現水腫白質中5-羥色胺明顯增多，后者經腦脊髓液引入腦實質，可致微血管通透性增高;近期資料表明，自由基損傷內皮細胞的可能性很大，肌肉內注射自由基清除劑對苯二胺(DPPD)，可減輕實驗性凍傷性腦水腫。在細胞中毒性腦水腫的發展中，微血管通透性不增高。目前認為這類水腫是腦細胞攝水增多而致腫脹。
細胞中毒性腦水腫的發病機制主要與鈉泵功能減退有關。前文所述的各種代謝抑制物及急性缺氧可能都使ATP生成減少，致依賴于ATP提供能量的鈉泵活動衰減，Na+不能向細胞外主動運轉，水分乃進入細胞內以恢復平衡，故造成過量Na+和水在腦細胞內積聚。至于急性低鈉血癥時，則是因細胞外低滲，故水分轉移到細胞內。新的資料表明，腦細胞膜含較多的多價不飽和脂肪酸，其不飽和雙鍵易受自由基的影響而發生脂質過氧化反應，從而損傷膜結構和功能。此因素在細胞中中毒性腦水腫的發病機制中可能起重要作用。自由基損傷線粒體膜，后者功能受損又導致ATP生成減少。
間質性腦水腫液來自腦脊髓液，當腦脊髓液生成和回流的通路受阻(如導水管被腫瘤，或炎性增生所堵塞)時，它就在腦室中積聚，過多積聚使室內壓上升，以致腦室管膜通透性增高甚至破裂，而溢入附近間質引起周圍白質的間質性腦水腫。
