El desarrollo de los diferentes tipos de lesión cerebral tiene mucho que ver con la forma como se alteran el cráneo, el cerebro y los vasos con el impacto y con las fuerzas que se producen; la fuerza dinámica es la que sufre la cabeza con mayor frecuencia y es responsable de las lesiones propias del impacto y de las fuerzas por aceleración (translación, rotación y angulación) que van a afectar el cerebro y los vasos; el impacto produce cambios de volumen locales y la onda de presión que dura entre 10 y 50 milisegundos, eleva la presión intracraneana y altera la barrera hematoencefálica a nivel del tallo cerebral, lo que a su vez produce las alteraciones neurales observadas durante la conmoción cerebral, que pueden ser de diferente intensidad, de acuerdo con la severidad del trauma; además de esto, tanto la aceleración como la desaceleración, producen fuerzas que pueden ser lineales o rotacionales, y ocasionan diferentes tipos de lesión en el parénquima cerebral, como contusiones en los sitios prominentes, donde el encéfalo se golpea contra superficies óseas, especialmente en los polos frontal, temporal y occipital, y en la convejidad, tanto como efecto del impacto como por inercia, en el caso del contragolpe; además, se producen lesiones difusas en línea media por efecto de inercia, aceleración, tracción y rotación .

La alteración en la barrera hematoencefálica, altera la autoregulación cerebral y por lo tanto el flujo sanguíneo cerebral, con aumento de la presión intracraneana y disminución de la presión de perfusión cerebral, con disminución del flujo sanguíneo cerebral y aumento de la resistencia vascular cerebral, produciéndose en los casos severos un daño isquémico secundario, sobrepuesto a la lesión primaria y agravado por los factores de hipoxia e hipotensión, si es que éstos no han sido corregidos. La isquemia cerebral es posiblemente el mecanismo más importante en la producción de lesiones secundarias. Se ha demostrado que frecuentemente los traumatismos se acompañan de hemorragia subaracnoidea y que entre mayor sea ésta, peor es el pronóstico.

El 50% de la energía se utiliza para la función sináptica, el 25% para mantener los gradientes iónicos de la membrana sin el cual la célula muere y el otro 25% es de uso desconocido. En condiciones normales el encéfalo genera energía mediante la fosforilación de glucosa para obtener CO₂ y H₂O en el ciclo de Krebs. Alteraciones metabólicas en la producción de energía celular resultan en la generación de radicales libres de oxígeno que son nocivos para los ácidos grasos poli-insaturados de la membrana celular; la liberación de ácido araquidónico lesiona los capilares y se metaboliza rápidamente a prostaglandinas y leucotrienos, lo que a su vez produce más radicales libres. La despolarización de la membrana celular produce la liberación de neurotransmisores (catecolaminas, 5HT, glutomato, gaba y opioides) que en altas concentraciones también son citotóxicos y abren más canales de calcio.

El flujo sanguíneo cerebral (FSC) depende de la perfusión cerebral (PPC) que se puede calcular restando la presión intracraneana (PIC) a la presión arterial media sistémica (PAM). P P C = P A M - P I C.

Cuando hay disminución del flujo sanguíneo cerebral (FSC), para mantener la rata de consumo cerebral de oxígeno (CMRO₂) constante, se produce aumento de la diferencia arteriovenosa de oxígeno; si se disminuye la presión de perfusión cerebral (PPC), o se aumenta la presión intracraneana (PIC), se pueden mantener constantes tanto el flujo sanguíneo cerebral (FSC) como la diferencia arteriovenosa de oxígeno, por medio de alteraciones en la viscosidad de la sangre, de las necesidades metabólicas del encéfalo o por cambios en el calibre de las arteriolas cerebrales con diámetro entre 30 y 300 micras.

Los cambios en el diámetro de las arteriolas responden a la concentración de CO₂ arterial: la hipercapnia (hipoventilación) produce vasodilatación y la hipocapnia (hiperventilación) vasoconstricción; esta reactividad ha sido atribuida a la respuesta del músculo liso a los cambios en la concentración de hidrogeniones; a mayor PCO₂, mayor concentración de hidrogeniones con vasodilatación y disminución de la resistencia vascular cerebral con mayor flujo sanguíneo cerebral. Sinembargo, con hiperventilación prolongada, el pH del LCR retorna al nivel basal o a un nivel ligeramente mayor a las 24 horas y por lo tanto el diámetro de los vasos, haciendo entonces inefectiva la hiperventilación, con el agravante que se disminuye la concentración de bicarbonato. Esto puede producir mayores cambios en el pH tisular, secundarios a las alteraciones de CO₂, lo que a su vez puede llevar a mayor vasodilatación durante los periodos de normocapnia.

El flujo sanguíneo cerebral (FSC) depende de la longitud de los vasos, que es constante, de su diámetro, que también es constante, en las arterias mayores y sólo varía con el vasoespasmo secundario a la hemorragia subaracnoidea o al trauma, a la presión de perfusión (PPC=PAM-PIC), a la viscosidad de la sangre y especialmente al diámetro de las arteriolas entre 30 y 300 micras, donde está la mayoría de la sangre, de modo que cualquier cambio en su diámetro producirá cambio en el flujo sanguíneo cerebral, en el volumen cerebral y por lo tanto en la presión.

Se acepta que la PPC puede disminuir hasta 60 mm Hg, dependiendo de la presión intracraneana. Cuando la PIC aumenta hasta niveles iguales a la PAM,PPC será 0 y se produce falta de irrigación y muerte cerebral.