血栓閉塞性脈管炎主要發生在中、小動脈，以下肢血管為主，病情進展可累及上肢，如脛前、脛后，尺、橈動脈或腘、股、髂動脈；累及心、腸、腎等內臟血管較罕見。Shirinoyc等對198例血栓閉塞性脈管炎患者進行兩側股動脈造影，對其中105例210條肢體動脈造影類型進行分析，顯示脛前、膿后和腓動脈閉塞分別占90%、80%和50%，有40%的患者除小腿動脈閉塞外，股、腘動脈也受累，股、腘動脈病變系由小腿動脈病變向心端發展而成。約40%小腿血管閉塞類型兩側相似。
病理變化主要是非化膿性全層血管炎癥伴血栓形成和管腔阻塞，而且呈節段性，節段之間內膜有正常血管，病變和正常部分的界線分明，其病理變化分為3期。
1、急性活動期 為急性全層血管炎癥，有組織細胞、中性粒細胞和巨細胞廣泛浸潤。內膜可發現內皮細胞增生，伴有少量淋巴細胞浸潤，內膜彈力層完整；中層有纖維組織增生，毛細血管擴張，肌肉層完整；外層有廣泛性纖維細胞增生。血管腔內血栓含有許多內皮細胞和成纖維細胞，可見中性粒細胞浸潤，發病同時伴行的靜脈和淺靜脈也可發病。
2、消退期 急性炎癥消退，炎性浸潤細胞全部被淋巴細胞代替。動脈內彈力層增厚；中層布滿滋養血管，有少量成纖維細胞；外層纖維組織增生，含大量成纖維細胞。
3、穩定期 炎癥基本消失，機化血栓被纖維組織代替，有新生毛細血管形成·可使血栓機化再通。中層完整，血管壁和內膜結構仍保存，內彈力層可增厚。病變后期，血管壁和血管周圍組織呈廣泛纖維化，動脈、靜脈和神經被纖維組織包繞形成一節段閉塞的硬索狀。
靜脈受累時的病理變化與動脈相似，但內膜層和血栓周圍有較多的巨細胞、白細胞和淋巴細胞，中層有更多的成纖維細胞、白細胞和淋巴細胞，外層則有廣泛的成纖維細胞增生。
在血管內由血栓造成閉塞的同時，側支循環可逐漸建立，但常呈不完全代償。因此，肢體處于動脈供血障礙狀態，表現為組織慢性、進行性缺血表現，肢體皮膚萎縮、干燥，汗毛脫落，指（趾）甲生長慢，畸形．肌肉萎縮，骨質疏松。皮下脂肪吸收或纖維化，甚至累及神經，產生神經纖維化、神經炎，神經與其細胞體分離變性。后期可發生組織壞疽。