最顯著的特征是運動神經元選擇性丟失。大腦運動皮質區的大錐體神經元數量減少，高爾基染色可見皮質神經元稀疏，軸突變短、斷裂和紊亂。大小錐體細胞以及相鄰的籃狀細胞內有磷酸化的神經微絲聚集，形成包涵體。在其相鄰的皮質，包括運動前區、感覺皮質和顳葉皮質也可見到神經元胞體萎縮和數量減少。脊髓前角運動神經元和腦干的運動神經元明顯減少。脊髓前角的運動神經元受累呈散在或局灶分布，受累神經元的軸突和樹突皺縮，神經突起變小。在殘留神經元中，可以見到不同時相的變性現象，包括中央染色體溶解、空泡形成、噬神經細胞現象以及神經細胞模糊不清等。延髓以下的包括皮質脊髓束在內的神經纖維髓鞘分解脫失。脊髓髓鞘染色顯示，皮質脊髓側束和前束脫髓鞘改變。鏡下可以見到膠質化和降解的脂質沉積。皮質脊髓束軸索腫脹或球樣化，內含包裹的神經微絲物質或其他一些細胞殘留物質。腦干運動神經核中主要累及舌下神經、舌咽神經、迷走神經和副神經核等核團，而眼外肌運動核和支配膀胱、直腸括約肌的腰骶Onuf核一般不受累。
由于失神經支配，肌纖維發生萎縮，而失神經支配的肌肉又可通過遠端運動神經末梢側支芽生恢復神經支配。由于反復的失神經和神經再生，在病變后期可見大小不等的失神經纖維聚集在一起，呈肌群萎縮，為典型的神經源性肌萎縮。ALS病理診斷標準：運動皮質的大錐體細胞消失，脊髓前角和腦干的運動神經元脫失并出現異常的細胞病理改變，皮質脊髓束變性和脫髓鞘改變。