1.缺血性改變 急性動脈阻塞后幾小時內即可出現患肢的蒼白、腫脹，在24h時這一變化更為顯著。此時切開肌肉，可呈魚肉樣外觀，24h以后，肌肉因充血而發紫，變硬，切開筋膜時，仍有活力的肌肉轉為粉紅色，并從筋膜切開上疝出；如不能緩解，血運恢復后，水腫會進一步加重，此時肌肉可能會呈現不同程度的壞死。
鏡下見，病變初期一些肌纖維能保持完整的外觀，一些肌纖維發生核缺失及細胞質的輕微凝固，呈顆粒樣變，此為缺氧早期的特征性改變。24h后，部分肌纖維發生腫脹和玻璃樣變。晚期(48～72h)，受損局部出現肌纖維的橫紋和胞核消失。截肢后標本顯示：再生的肌纖維出現輕度至中度的變性，甚至壞死。
骨骼肌占人體體重的42%左右，在其復雜的結構中包含大量的生化物質，使得這種肌組織對缺氧極度敏感。在缺氧狀態下，這些生化物質釋放入血，其中一些物質對人體的損害甚至是致命性的，也是引起MMS的主要因素。肌纖維細胞膜在骨骼肌病理生理過程中起著重要作用。缺血時，肌細胞內三磷腺苷（三磷酸腺苷）(ATP)顯著減少，導致膜的通透性異常改變，引起肌漿網內外空間構型的嚴重破壞，使得各種生化物質的跨膜交換發生異常，從而導致一系列代謝綜合征的發生(圖1)。在血運重建及再灌注期，患肢產生大量氧自由基，主要包括超氧陰離子，過氧化氫和羥基。氧自由基性質不穩定，有很強的反應性，具有細胞毒性。氧自由基很易與巰基酶、蛋白質、脂質和DNA等發生反應，破壞組織細胞的化學結構，細胞膜中的多不飽和脂肪酸是最易受氧自由基影響的物質，造成生物膜完整性的改變，進一步引起肌細胞中生化物質入血，導致MMS及肌細胞的壞死。
2.代謝綜合征 代謝綜合征可為暫時的，亦可是遷延的，此征發生在血供重建后尤為明顯。
(1)代謝性酸中毒：幾乎發生于所有患者，但程度不盡相同。代謝性酸中毒源于酸性代謝產物的堆積：組織缺血缺氧導致有氧代謝減少和無氧酵解增強，產生大量乳酸和丙酮酸。初期，2種酸升高程度一致，之后，乳酸水平升高快于丙酮酸，血pH值和C02含量降低，陰、陽離子的數量卻顯著增加。
血供重建前，受累肢體的回流靜脈血pH值下降，低于或等于7.2，提示預后不良，重建后若pH值繼續下降提示預后更差。
(2)電解質的變化：血清鈉離子大多在正常范圍內。鉀離子在初期也在正常范圍內，血運重建后，肌細胞溶解釋放大量的鉀入血，血鉀明顯升高，突然去除血管夾可能導致心搏驟停。高鉀血癥可引起心率失常及心搏驟停。約半數以上患者伴低鈣、高磷血癥及少尿。少尿期鈣磷比值變化是由于肌細胞膜通透性變化所致。正常情況下，細胞外液鈣離子濃度比細胞內鈣離子濃度高3～4倍。如果肌細胞膜破壞，細胞內鈣離子濃度得以增多，直至細胞內外液鈣離子濃度相等，肌細胞收縮性增強，造成缺血肢體發生僵硬和部分MMS患者在腎衰時出現肌肉痙攣現象。
(3)酶學變化：血供重建前，肌酸磷酸激酶(Creatine Phosphokinase，CPK)的血漿含量略有升高，受累肢體靜脈血中含量卻很高。血供重建后，CPK又有所升高。CPK，尤其是其同工酶CPK-MM升高是肌肉損害的直接證據，高含量CPK 通常反映進行性肌壞死。此時，如皮膚色澤正常，常導致錯誤的判斷，皮膚完好并不反映其深面的肌組織正常。在輕癥中，CPK在恢復血供后幾小時或1～2天內下降，在較為嚴重病例，CPK在幾天內升至1000～2000U，10～12天后恢復正常。在重癥和死亡病例中，CPK進行性升高，達到2萬U以上。所有患者乳酸脫氫酶(Lactate Dehydrogenase，LDH)和谷草轉氨酶(Serum Glutamic-Oxaloacetic Transaminase，SGOT)水平均有升高。SGOT的升高水平與缺血程度成正比，SGOT持續升高不下表明肌肉發生了不可逆轉的病理損害。
LDH和CPK在MMS與心梗時均有升高，但其變化規律不同，應注意鑒別。
(4)肌紅蛋白尿：血管阻塞后幾小時內，尿量常減少，因尿中含有骨骼肌溶解所釋放的肌紅蛋白而呈現櫻紅色。肌紅蛋白尿于48h達高峰，持續數天，其升高值和肌肉溶解的范圍和程度有關。尿中出現的肌紅蛋白是一種愈創樹脂陽性，或聯苯胺陽性，或正堿陽性的顆粒，而尿中無紅細胞，同時血漿是澄清的。肌紅蛋白尿常被誤診為血紅蛋白尿。Berman提出以下鑒別方法：紅色血漿＋紅色尿液→血紅蛋白尿；澄清血漿＋紅色尿液→肌紅蛋白尿。肌紅蛋白特異性定性檢查方法包括：化學法、分光光度測定法和免疫學方法。Markowiz報道了尿中肌紅蛋白定量測定法，使早期準確檢測血、尿中肌紅蛋白成為可能。
(5)肌紅蛋白血癥：腎臟排除肌紅蛋白有時會延遲，早期僅排出少量，很難證實肌紅蛋白尿的存在，從而誤診。因此，在未檢出肌紅蛋白血尿時，對于高度懷疑有橫紋肌溶解的患者，我們應檢驗血中肌紅蛋白。
(6)急性腎衰：腎功損害程度因肌缺血、酸中毒和肌紅蛋白尿的程度而異。輕中度病例中，腎功僅為暫時且可逆性損害，排尿量減少，多數病人出現少尿或無尿。繼之病人血尿素氮和肌酐迅速升高。在重度病例中，出現嚴重酸中毒伴遷延性肌紅蛋白尿，如不立即透析，將出現不可逆的腎損害，甚至死亡。組織學檢查顯示腎小管中存在肌紅蛋白管型，含少量上皮細胞。急性腎小管壞死程度取決于肌紅蛋白阻塞腎小管的程度，這一病理改變常稱為肌紅蛋白性腎病。有時這種腎病與病人患有的腎小球硬化性損害協同作用，嚴重影響預后。根據動物實驗及人體尸檢所得資料提示肌紅蛋白所致的腎小管機械性阻塞與急性腎衰有因果關系，但是否肌紅蛋白對腎小管有直接毒性一說尚有爭議，因為實驗表明注射肌紅蛋白并不導致急性腎衰。