MSA的病理學標志是在神經膠質細胞胞漿內發現嗜酸性包涵體，其他特征性病理學發現還有神經元丟失和膠質細胞增生。病變主要累及紋狀體-黑質系統、橄欖-腦橋-小腦系統和脊髓的中間內、外側細胞柱和Onuf核。MSA包涵體的核心成分為α-突觸核蛋白，因此，MSA和帕金森病、Lewy體癡呆、一起被歸為突觸核蛋白病（synucleinopathy）。
