由于脑瘫是一个综合征，可以由于多种病因所引起，病理改变与病因有关。各种先天原因所致的脑发育障碍常可见脑弥漫性病变，有不同程度的脑萎缩，脑室扩大，神经细胞减少，胶质细胞增生。由于病程长短不同，病理改变也不一样。
早产儿缺血低氧性脑病时可引起室管膜下出血，脑室白质软化，进而液化形成多个小软化灶，吸收后呈小孔状，软化区扩大可形成空洞，称为脑穿通畸形（或孔脑症）。足月儿缺血低氧性脑病可引起栓塞样改变，脑坏死多见于皮质深层或白质内，逐渐形成瘢痕性脑回，也可软化形成囊性变。
脑瘫的病理改变还可见到髓鞘发育不良，内囊部位的神经纤维组织常受累，病变部位不同临床表现也不一样，基底节病变是手足徐动型脑瘫的病理基础。