腦幹、腦幹和脊髓萎縮變小，脊髓後索變性和脫髓鞘，並累及延髓和小腦下腳。小腦浦肯野細胞消失，齒狀核變性及輕度膠質細胞增生，上橄欖核、舌下神經核以及Clarke柱細胞脫失，脊髓小腦束、後索以及錐體束有脫髓鞘改變，脊髓前角細胞減少。腦橋核及橫行纖維很少有改變。
臨床表現起病潛隱，病程緩慢，呈進行性加重，首發症狀通常為下肢無力，走路易跌倒，步基寬大，步態不穩，可呈蹣跚步態或蹣跚步態合併痙攣步態。逐漸出現兩手笨拙及有意向性震顫以至不能完成精細動作，構音障礙，講話含糊或有吟誦狀語言。下肢出現明顯的錐體束徵，如肌張力增高，腱反射亢進。其中不少患者如SCA7有視網膜變性，色盲，眼外肌活動障礙，垂瞼。SCA2雖沒有眼球震顫，但表現明顯的慢眼動，可有發音困難，吞嚥困難，腱反射減弱，肢體肌萎縮等症狀。部分病人表現為欣快，有些出現痴呆，通常不伴有內臟和骨骼畸形。
