(一)腦血流改變：當窒息缺氧為不完全時，體內各器官血流重新分配以保證心、腦、腎上腺等組織血流量，如缺氧繼續存在，這種代償機制失效，腦血流灌注下降，出現第2次血流重新分佈，即供應大腦半球的血流減少，以保證丘腦、腦幹和小腦的血灌注量。此時，大腦皮質矢狀旁區及其下的白質(大腦前、中、後動脈灌注的邊緣區)最易受損，如窒息缺氧為急性完全性，上述代償機制均無效，腦損傷發生在代謝最旺盛部位(丘腦、腦幹核)，而大腦皮層不受影響。
(二)能量代謝障礙：被認為是其主要機理，腦所需的能量來源於葡萄糖氧化，缺氧時無氧糖酵解使糖消耗↑，乳酸增加，導致低血糖和代謝性酸中毒;ATP↓、細胞膜鈉泵、鈣泵功能不足，使鈉、鈣離子進入細胞內，造成細胞原性腦水腫，鈣離子還可激活受其調節的酶，引起胞漿膜磷酯成分分解產生大量花生四烯酸;進一步產生血栓素，前列腺環素ATP↓→cAMP↓①影響突觸之遞質傳遞;②影響神經細胞的結構和功能;③許多依賴cAMP的血管活性物質功能下降→腦血管痙攣→腦組織受損。
(三)神經毒性物質：腦缺氧時→興奮性AA、氧自由基增加→阻斷線粒體的磷酸化氧化作用，破壞細胞結構及酶等。
