血栓閉塞脈管炎是青壯年的動脈和靜脈的一種周期性、節段性炎癥病變。病變多數發生在四肢血管，尤其是下肢為常見。病理改變首先是血管內膜增厚，隨后有血栓形成，以致最后血管完全阻塞。通常病變首先出現于肢體動脈遠端，如脛后、脛前、尺、橈、足弓、掌弓、趾、指等動脈，病變進一步發展才累及股動脈和肱動脈等。病變節段和正常部分之間的界線非常分明，伴行靜脈常同時受累，一般都較輕。晚期，血管周圍有纖維組織增生、硬化。
血栓閉塞性脈管炎主要累及肢體的中小動靜脈。以下肢脛前動脈、脛后動脈、腓動脈、足背動脈和趾動脈最為多見，也可累及上肢橈動脈、尺動脈和指動脈，較少累及較大的動脈如股動脈和肱動脈。伴行靜脈和淺表靜脈也可累及，但程度較輕。累及心、腦、腸、腎等內臟的血管較罕見。
病理改變的特點是血管全層非化膿性炎癥，管壁結構仍然完整。病變呈節段性，節段之間有內膜正常的管壁。病變血管有廣泛內皮細胞增生和全層成纖維細胞增生及淋巴細胞浸潤。早期即有血栓形成，血栓內含有許多內皮細胞和成纖維細胞。后期血栓機化并伴細小的再管化。病變后期，動脈周圍廣泛纖維化，常包繞靜脈和神經形成纖維索條。受累靜脈的病理變化與動脈相似。血管壁的交感神經可發生神經周圍炎，神經退行性變和纖維化。血管閉塞的同時，雖可逐漸建立側支循環，但常不足以代償。