脑性瘫痪的脑损害较为广泛，多可累及大脑及小脑，主要以弥漫大脑皮层发育不良或萎缩性脑叶硬化常见。皮质和基底节有分散的因神经元丢失和神经胶质增生，并伴有髓鞘化增加所致的大理石样病灶瘢痕。

除弥漫损害外局限性病变也是脑性瘫痪的重要病理基础。主要包括局限性白质硬化和巨大脑穿通畸形。

根据病理原因的不同主要可分为以下两种：

出血性损害

这类病理类型常见的有室管膜下出血或脑室内出血。出血性损害多见于妊娠不足32周的未成熟胎儿，可能是因为此期脑血流量相对较大、血管发育不完善所致。

缺血性损害

缺血性损害常见的有脑白质软化、皮质萎缩或萎缩性脑叶硬化。此外大理石样病变也可见于缺血性损害。该损害多见于缺氧窒息的婴儿。

在早产儿中最常见的病理改变是脑室周围白质软化和脑室周围出血性梗塞。足月儿中的病理类型复杂多样，但大多与缺氧缺血性脑损伤有关。

不论何种病理损害的脑性瘫痪，均有三分之一病例肉眼可见脑回变窄、脑沟增宽等畸形。三分之二病例镜下可见皮质各层次的神经细胞退行性变、神经细胞数目减少、白质萎缩、部分中枢结构胶质细胞增生等结构异常。