腦性癱瘓的腦損害較爲廣泛，多可累及大腦及小腦，主要以瀰漫大腦皮層發育不良或萎縮性腦葉硬化常見。皮質和基底節有分散的因神經元丟失和神經膠質增生，並伴有髓鞘化增加所致的大理石樣病竈瘢痕。
除瀰漫損害外侷限性病變也是腦性癱瘓的重要病理基礎。主要包括侷限性白質硬化和巨大腦穿通畸形。
根據病理原因的不同主要可分爲以下兩種：
出血性損害
這類病理類型常見的有室管膜下出血或腦室內出血。出血性損害多見於妊娠不足32周的未成熟胎兒，可能是因爲此期腦血流量相對較大、血管發育不完善所致。
缺血性損害
缺血性損害常見的有腦白質軟化、皮質萎縮或萎縮性腦葉硬化。此外大理石樣病變也可見於缺血性損害。該損害多見於缺氧窒息的嬰兒。
在早產兒中最常見的病理改變是腦室周圍白質軟化和腦室周圍出血性梗塞。足月兒中的病理類型複雜多樣，但大多與缺氧缺血性腦損傷有關。
不論何種病理損害的腦性癱瘓，均有三分之一病例肉眼可見腦回變窄、腦溝增寬等畸形。三分之二病例鏡下可見皮質各層次的神經細胞退行性變、神經細胞數目減少、白質萎縮、部分中樞結構膠質細胞增生等結構異常。
