脑缺血和缺氧是围产期婴儿脑损伤的主要原因，脑组织在脑缺氧缺血性脑病的早期可出现脑水肿、脑组织坏死、颅内出血。围产期脑组织对缺氧缺血的敏感性不仅与怀孕时间长短有关，还与大脑局部的解剖结构和生理特点有关，如脑白质减退多发生在怀孕的前6个月，病变主要在大脑颞极前缘，即冠状切面上大脑侧脑室的前角端，该部分的灰质与白质比例约为8。在正常新生儿中为7。此外，两个大脑半球的外观呈球形，额叶比正常人小，脑室相对膨大，桥脑和髓质椎体较小。
脑室下出血经常发生在未成熟的婴儿身上，原因是由于未成熟婴儿的局部解剖和生理特点导致受损的毛细血管破裂，再加上缺血和缺氧，以及血压和血流的变化。在尾状核头部、尾状丘脑沟、侧脑室颞角外侧壁和枕骨外侧角可以看到局灶性出血，严重时可形成小血肿。脑室内出血发生在严重病例中，是未成熟婴儿最常见的病变，据统计80%以上的出血来自脑室下出血。当出血量过大而不能完全吸收时，则机化，特别是第四脑室的血块机化或蛛网膜下腔的机化粘连，可引起急性和慢性脑积水。
脑室周围白质软化也占宫内发育迟缓、低血糖或先天性心脏病患儿的一定比例，病变大多发生在干扰周围的深部白质。尤其是侧脑室前角（额叶）附近的白质和后角附近的白质，严重者脑室管也可被破坏，尤其是侧脑室枕角壁，以后形成局部胶质瘢痕或囊性腔。
分娩过程中与脑瘫关系更密切的主要机械损伤是硬膜下血肿和脑缺血性梗塞。硬膜下血肿大多发生在大脑半球的背外侧。脑缺血性坏死容易发生在面部早产、颅骨重叠和产程过长的难产中。
当出现高胆红素血症时，胆红素穿过血脑屏障，可使大脑基底核、海马、视网膜下核、齿状核被染成黄色或深黄色，可有不同程度的神经元变性、大量神经元丢失、神经胶质细胞增生替代。各种先天性感染，如先天性风疹病毒感染、先天性弓形虫感染、巨细胞病毒感染、先天性单纯疱疹病毒感染等，中枢神经系统最常受到侵害。
