發病機制
腦水腫的發病機理非常復雜，相關因素很多，血腦屏障、微循環障礙、腦缺血與缺氧，腦內自由基增加，血栓素A2及前列環素的變化，神經遞質與神經肽類的變化。神經細胞鈣超載等均可影響腦水腫的發生與發展。
1、血腦屏障機能障礙，血腦屏障對腦水腫的關系最大。血腦屏障為腦的毛細血管腔與腦實質之間的屏障，由腦毛細血管內皮細胞、基底膜及星形細胞的血管板層構成。血腦脊液屏障主要是脈絡叢上皮和內皮細胞之間的閉鎖小帶，腦脊液與腦實質之間也存在屏障，由腦室的室管膜上皮和覆蓋腦表面的軟膜膠質瘤膜組成。因此腦與血液間的物質交換必須通過這層血腦屏障。水能自由通過血腦屏障和血腦脊液屏障，電解質通過血腦屏障及血腦脊液屏障的能力與它們的脂溶性相關，脂溶性的物質容易通過，但葡萄糖也能通過。腦損傷、腦瘤、炎癥時，血腦屏障破壞，使血漿大分子物質能夠由血管腔內通透到腦細胞間隙，因此，認為血腦屏障的功能與結構損害是血管性腦水腫的病理基礎。
2、腦微循環障礙 腦的血流量與微循環正常與否，對維持腦的正常生理運轉有極其重要的關系，腦的血流量受全身血壓的影響，隨腦動、靜脈的壓力差變化而異。腦血管本身有內在的及中樞調節功能，使腦血流量在一定范圍內保持穩定。顱腦外傷、腦瘤、炎癥等病變時，腦血管發生痙攣或麻痹，微循環機能障礙，其靜脈壓增高，腦充血、腦缺氧，導致發生腦代謝紊亂、腦水腫。所以腦微循環障礙在腦水腫的發生過程中，是一個重要的因素。
3、腦細胞代謝障礙 腦內神經細胞是構成神經系統的結構和功能單位，包括胞體和突起兩部分。腦細胞細微結構維持著腦細胞的正常代謝與功能。腦細胞代謝中，葡萄糖代謝是最主要的方面。正常時有氧代謝方式進行，腦缺氧時，細胞代謝中葡萄糖代謝變為無氧方式進行，分解為乳酸、丙酮酸等，也釋放能量。但是由于ATP減少，僅為正常有氧代謝的5%。致使細胞本身及細胞膜的功能受損，鈉泵、鈣泵等離子泵運轉失常，不能將細胞內多于的鈉離子排出，氯離子由胞外進入胞內結合為氯化鈉，使細胞內滲透壓增高。水由細胞外進入細胞內，以維持細胞內外滲透壓平衡，形成細胞內水腫。而細胞內酸性物質的產生又使細胞膜通透性增加，加重細胞水腫。
4、自由基 腦組織內自由基，氧自由基是一類具有高度化學活性的含氧基團，主要由超氧陰離子和氫氧自由基。腦損傷時，氧自由基在腦內大量增加，腦出血、腦缺血再灌注時，自由基也大量增加，自由基使細胞膜系統損害，血腦屏障損害，引起腦水腫。
5、神經細胞鈣超載 近年來，一些研究提示神經細胞膜鈣超載的改變，神經細胞內鈣超載是引起腦水腫的先行重要因素。鈣是維持神經細胞正常功能的重要因素，在中樞神經細胞信息傳遞、神經遞質的合成與釋放和神經細胞軸漿運轉，血腦屏障的功能等方面具有極其重要的作用。細胞膜鈣通道異常開放，則細胞外鈣離子進入細胞內，發生神經細胞內鈣超載，產生損害作用。鈣超載的不利影響很廣：可以激活ATP酶、蛋白酶、磷脂酶，使ATP、細胞蛋白質、脂質分解代謝增加，損害細胞骨架系統和膜系統，影響神經細胞內的快反應基因的表達和調控，影響細胞DNA，使細胞嚴重損害。還可使腦血管痙攣和腦毛細胞血管通透性發生改變。因此鈣通道開放與神經細胞鈣超載已被視為引起腦水腫的關鍵環節之一。
6、顱內靜脈壓升高及其他等。
病理生理
腦水腫分為血管源性腦水腫、細胞性水腫、滲透壓性水腫和腦積水性腦水腫。
1、血管源性腦水腫 主因因血腦屏障受損、破壞，致毛細血管通透性增加，水分滲出增多，積存于血管周圍及細胞間質所致。此時，由于一些蛋白物質隨水分經血管壁通透到細胞外液中，使細胞外液滲透壓升高，水分由血管壁滲出增多，致使腦水腫繼續發展，腦外傷所導致的外傷性腦水腫早期主要為血管源性腦水腫。
2、細胞性腦水腫 細胞性腦水腫是不同的致病因素，使細胞內外環境改變，腦組織缺氧，影響神經細胞代謝，細胞膜系統功能障礙，線粒體三磷酸腺苷生成減少，神經細胞膜的鈉-鉀泵、鈣-鎂泵等活性降低，使神經細胞內外的鈉、鉀鈣等離子交換障礙。這些因素均可導致細胞內水腫。此類水腫時，血腦屏障可不受影響，血管周圍間隙及細胞外間隙無明顯擴大，細胞內水腫液不含蛋白，鈉、氯離子水平增高。細胞性水腫常見于中毒、重度低溫、腦缺血與缺氧等。
3、滲透性腦水腫 滲透性腦水腫是由于細胞內、外液及血液中電解質與滲透壓改變引起的細胞內水腫。正常情況下，細胞內、外電解質和滲透壓保持平衡和穩定狀態，這種適合于正常生理條件，受下丘腦與垂體功能調節和制約。在病理狀態下，如腦損傷影響于下丘腦下部-垂體軸功能，促腎上腺皮質激素分泌減少、抗利尿激素釋放增多，則血液滲透壓降低，引起滲透性腦水腫。
4、腦積水性腦水腫 又稱間質性腦水腫，常見于梗阻性腦積水。不同病因引起梗阻性腦積水，使腦室系統擴大，尤以側腦室擴大為甚，致使腦室內壓力顯著高于腦組織內的壓力。產生腦室內-腦組織內壓力梯度，這種壓力梯度的顯著差別，使腦室內液體可以透過腦室室管膜到腦室周圍腦組織中，形成腦室周圍白質腦水腫。