硬膜外血腫主要以急性發生為主，占86%左右，有時并發其他類型血腫。多因頭部受過外力直接打擊，產生著力點處的顱骨變形或骨折，傷及血管所致，血腫一般發生在受力點及其附近，因此可根據骨折線通過腦膜血管和靜脈竇的部位來判斷血腫部位。損傷腦膜中動脈引致硬膜外血腫占3/4，其次是損傷靜脈竇、板障靜脈等而導致血腫。出血積聚于硬膜與顱骨內板分離處，并隨著血腫的增大而使硬膜進一步分離。
硬膜外血腫以額顳部和頂顳部最多，這與顳部含有腦膜中動、靜脈，又易為骨折所撕破有關。發展急速的硬腦膜外血腫，其出血來源多屬動脈損傷所致，血腫迅猛增大，可在數小時內引起腦疝，威脅病人生命。若出血源于靜脈，如硬腦膜靜脈、板障靜脈或靜脈竇，則病情發展稍緩，可呈亞急性或慢性病程。
急性硬腦膜外血腫在枕部較少，因該處硬膜與枕骨貼附輕緊，且常屬靜脈性出血。據研究，血腫要將硬膜自顱骨上剝離，至少需要35g的力量。但有時，由于骨折線穿越上矢狀竇或橫竇，亦可引起騎跨于竇上的巨大硬膜外血腫，這類血腫的不斷擴張，多為硬腦膜與骨內板剝離后，因新的再出血所致，而非僅由靜脈壓造成繼續出血。
血腫的大小與病情的輕重關系密切，愈大愈重。不過不能忽略出血速度與臨床表現的關系。往往小而急的血腫早期即出現腦壓迫癥狀，而出血慢的血腫，則于數日甚至數周，始表現出顱內壓增高。位于半球凸面的急性血腫，常向內向下推壓腦組織，使顳葉內側的海馬及鉤回突向小腦幕切跡緣以下，壓迫大腦腳、動眼神經、大腦后動脈，并影響腦橋靜脈及巖上竇的回流，稱為小腦幕切跡疝。為時較久的硬膜外血腫，一般于6～9天即有機化現象，由硬膜長入纖維細胞并有薄層肉芽包裹且與硬膜及顱骨粘連。小血腫可以完全機化，大血腫則囊性變內貯褐色血性液體。