內分泌性突眼的發生主要和自身免疫有關。在發生甲狀腺自身免疫性損害的同時體內也產生了針對眼部組織的自身抗體。針對眼部組織的抗體可以引起眼部組織的損害。眼部組織主要有以下病理性改變：
(1)眼球后間隙中的脂肪和結締組織出現水腫和炎癥性細胞如淋巴細胞、漿細胞、巨噬細胞、肥大細胞浸潤、表現為這些軟組織體積增大，從而引起眼壓增大，遂使眼球向外突出。
(2)眼部肌肉發生炎癥性變化，眼肌有淋巴細胞浸潤、水腫、肌纖維斷裂和壞死。眼肌體積明顯增大，在急性期尤為顯著，突眼也隨之發生。隨著病情發展，眼肌發生纖維性增生，肌肉變得僵硬，收縮能力減弱甚至完全喪失。