腦栓塞可以發生在腦的任何部位，由于左側頸總動脈直接起源于主動脈弓，故發病部位以左側大腦中動脈的供血區較多，其主干是最常見的發病部位。由于腦栓塞常突然阻塞動脈，易引起腦血管痙攣，加重腦組織的缺血程度。因起病迅速，無足夠的時間建立側枝循環，所以栓塞與發生在同一動脈的血栓形成相比，病變范圍大，供血區周邊的腦組織常不能免受損害。
腦栓塞引起的腦組織缺血性壞死可以是貧血性、出血性或混合性梗死，出血性更為常見，占30%-50%。腦栓塞發生后，栓子可以不再移動，牢固地阻塞管腔；或栓子分解碎裂，進入更小的血管，最初栓塞動脈的血管壁已受損，血流恢復后易從破損的血管壁流出，形成出血性梗死。
在栓子的來源未消除時，腦栓塞可以反復發作。某些炎癥栓子可能引起腦膿腫、腦炎及局灶腦動脈炎等。有時在血管內可以發現栓子，如寄生蟲、脂肪球等。