（一）腦血流改變：當窒息缺氧為不完全時，體內各器官血流重新分配以保證心、腦、腎上腺等組織血流量，如缺氧繼續存在，這種代償機制失效，腦血流灌注下降，出現第2次血流重新分布，即供應大腦半球的血流減少，以保證丘腦、腦干和小腦的血灌注量。此時，大腦皮質矢狀旁區及其下的白質（大腦前、中、后動脈灌注的邊緣區）最易受損，如窒息缺氧為急性完全性，上述代償機制均無效，腦損傷發生在代謝最旺盛部位（丘腦、腦干核），而大腦皮層不受影響。
（二）能量代謝障礙：被認為是其主要機理，腦所需的能量來源于葡萄糖氧化，缺氧時無氧糖酵解使糖消耗↑，乳酸增加，導致低血糖和代謝性酸中毒；ATP↓、細胞膜鈉泵、鈣泵功能不足，使鈉、鈣離子進入細胞內，造成細胞原性腦水腫，鈣離子還可激活受其調節的酶，引起胞漿膜磷酯成分分解產生大量花生四烯酸；進一步產生血栓素，前列腺環素ATP↓→cAMP↓①影響突觸之遞質傳遞；②影響神經細胞的結構和功能；③許多依賴cAMP的血管活性物質功能下降→腦血管痙攣→腦組織受損。
（三）神經毒性物質：腦缺氧時→興奮性AA、氧自由基增加→阻斷線粒體的磷酸化氧化作用，破壞細胞結構及酶等。
（四）神經細胞凋亡：是細胞死亡的一種形式，是個體發育成熟和維持正常生理過程所必需，若過度凋亡即成為病理狀態。最近研究證實，HIE可誘發神經細胞凋亡，多種病理機制交互作用的結果，使神經細胞急性壞死的同時，凋亡即已發生。可早至缺氧缺血后1小時，直至1～2周以后。