腦水腫的發病機理非常復雜，相關因素很多，血腦屏障、微循環障礙、腦缺血與缺氧，腦內自由基增加，血栓素A2及前列環素的變化，神經遞質與神經肽類的變化。神經細胞鈣超載等均可影響腦水腫的發生與發展。
1、血腦屏障機能障礙，血腦屏障對腦水腫的關系最大。血腦屏障為腦的毛細血管腔與腦實質之間的屏障，由腦毛細血管內皮細胞、基底膜及星形細胞的血管板層構成。血腦脊液屏障主要是脈絡叢上皮和內皮細胞之間的閉鎖小帶，腦脊液與腦實質之間也存在屏障，由腦室的室管膜上皮和覆蓋腦表面的軟膜膠質瘤膜組成。因此腦與血液間的物質交換必須通過這層血腦屏障。水能自由通過血腦屏障和血腦脊液屏障，電解質通過血腦屏障及血腦脊液屏障的能力與它們的脂溶性相關，脂溶性的物質容易通過，但葡萄糖也能通過。腦損傷、腦瘤、炎癥時，血腦屏障破壞，使血漿大分子物質能夠由血管腔內通透到腦細胞間隙，因此，認為血腦屏障的功能與結構損害是血管性腦水腫的病理基礎。
2、腦微循環障礙 腦的血流量與微循環正常與否，對維持腦的正常生理運轉有極其重要的關系，腦的血流量受全身血壓的影響，隨腦動、靜脈的壓力差變化而異。腦血管本身有內在的及中樞調節功能，使腦血流量在一定范圍內保持穩定。顱腦外傷、腦瘤、炎癥等病變時，腦血管發生痙攣或麻痹，微循環機能障礙，其靜脈壓增高，腦充血、腦缺氧，導致發生腦代謝紊亂、腦水腫。所以腦微循環障礙在腦水腫的發生過程中，是一個重要的因素。
3、腦細胞代謝障礙 腦內神經細胞是構成神經系統的結構和功能單位，包括胞體和突起兩部分。腦細胞細微結構維持著腦細胞的正常代謝與功能。腦細胞代謝中，葡萄糖代謝是最主要的方面。正常時有氧代謝方式進行，腦缺氧時，細胞代謝中葡萄糖代謝變為無氧方式進行，分解為乳酸、丙酮酸等，也釋放能量。但是由于ATP減少，僅為正常有氧代謝的5%。致使細胞本身及細胞膜的功能受損，鈉泵、鈣泵等離子泵運轉失常，不能將細胞內多于的鈉離子排出，氯離子由胞外進入胞內結合為氯化鈉，使細胞內滲透壓增高。水由細胞外進入細胞內，以維持細胞內外滲透壓平衡，形成細胞內水腫。而細胞內酸性物質的產生又使細胞膜通透性增加，加重細胞水腫。
4、自由基 腦組織內自由基，氧自由基是一類具有高度化學活性的含氧基團，主要由超氧陰離子和氫氧自由基。腦損傷時，氧自由基在腦內大量增加，腦出血、腦缺血再灌注時，自由基也大量增加，自由基使細胞膜系統損害，血腦屏障損害，引起腦水腫。
5、神經細胞鈣超載 近年來，一些研究提示神經細胞膜鈣超載的改變，神經細胞內鈣超載是引起腦水腫的先行重要因素。鈣是維持神經細胞正常功能的重要因素，在中樞神經細胞信息傳遞、神經遞質的合成與釋放和神經細胞軸漿運轉，血腦屏障的功能等方面具有極其重要的作用。細胞膜鈣通道異常開放，則細胞外鈣離子進入細胞內，發生神經細胞內鈣超載，產生損害作用。鈣超載的不利影響很廣：可以激活ATP酶、蛋白酶、磷脂酶，使ATP、細胞蛋白質、脂質分解代謝增加，損害細胞骨架系統和膜系統，影響神經細胞內的快反應基因的表達和調控，影響細胞DNA，使細胞嚴重損害。還可使腦血管痙攣和腦毛細胞血管通透性發生改變。因此鈣通道開放與神經細胞鈣超載已被視為引起腦水腫的關鍵環節之一。
6、顱內靜脈壓升高及其他等。