腦溢血的發病機制比較復雜，但主要與高血壓有關。因為長期的血壓增高導致動脈壁發生透明變性，使得原本較為堅韌的動脈壁變薄、變脆，一旦出現一些較為細小的動脈瘤或者囊狀的動脈壁擴張，就會使動脈對血壓升高的耐受性下降，而腦動脈的表現尤為嚴重。此時如果血壓驟然升高，就會讓內壁變薄的細小動脈突然破裂出現腦出血。這就可以解釋為什么要提醒老球迷在觀看世界杯的時候得悠著點，因為情緒一激動，分分鐘會造成腦血管的爆裂。

動脈血管流出的血液會凝成血塊，并且聚集在血管外的腦組織上釋放各種有毒活性物質，使得周圍動脈進一步收縮，造成周圍血管的再次破裂，引發惡性循環，這也就解釋了為何臨床上多見短時間再次出血的表現。

在多次反復之后，局部腦組織內形成較大的血凝塊，壓迫破裂的血管。此時血腫形成，出血才逐漸停止。這個過程血腫塊可釋放血紅蛋白降解產物，高濃度的血紅蛋白對神經細胞有較為明顯的毒性作用。與此同時，出血發生后，人體內全身凝血機制激活，血液內凝血酶濃度增加，聚集在腦組織內可以導致腦水腫，最后造成患者腦死亡的情況，這是腦出血后最為常見的繼發改變。

上述的主要是高血壓出血的發病機制，臨床上還有另外一種特殊的腦出血稱為“蛛網膜下腔出血”。此種疾病的特點在于其出血主要表現為腦組織之外，蛛網膜之內的腔隙內積血。其主要發病機制主要是由于腦血管動脈瘤、腦血管畸形造成。