本病的病理生理過程實質上是在動脈粥樣硬化基礎上發生的局部腦組織缺血壞死過程。由于腦動脈有一定程度的自我代償功能，因而在長期腦動脈粥樣硬化斑塊形成中，并無明顯的臨床表現出現。但腦組織本身對缺血缺氧非常敏感，供應血流中斷的4-6分鐘內其即可發生不可逆性損傷。故腦血栓形成的病理生理過程可分為以腦動脈粥樣硬化斑塊形成過程為主的腦動脈病變期和腦動脈內血栓形成伴有腦組織缺血壞死的腦組織損傷期。急性腦梗死的是一個動態演變的過程，在發生不可逆的梗死腦組織的周圍往往存在處于缺血狀態但尚未完全梗死的腦區域（即缺血半暗帶）。挽救這些缺血半暗帶是急診溶栓治療的病理生理學基礎。