帕-羅二氏綜合征受損部位的肌肉因所含的脂肪與結締組織消失而縮小，但肌纖維并不受累，且保存其收縮能力。面部病變部位的皮下脂肪和結締組織最先受累，然后牽涉皮膚、皮下組織、毛發和脂腺，最重者侵犯軟骨和骨骼。面部以外的皮膚和皮下脂肪、皮下組織、舌部、軟腭、聲帶、內臟等也偶被涉及。
同側頸交感神經可有小圓細胞浸潤。部分病例伴有大腦半球的萎縮，可能是同側、對側或雙側的。個別并伴發偏身萎縮癥。活組織檢查示皮膚乳頭層萎縮、真皮及脂肪組織纖維化，并有淋巴細胞及漿細胞浸潤，肌纖維橫紋減少。另曾有文獻報道（Henta，1999）面神經纖維萎縮及空泡變性，電鏡下可見軸突變性。