單純皰疹病毒腦病毒腦炎的發病機制比較復雜，近年研究證明，在病毒感染所致腦組織損害的機制中，部分是免疫病理反應損害的結果。
由于Ⅰ型HSV在兒童及成人多表現為腦炎，且以累及顳葉內側，額葉下部、鄰近的島葉及扣帶回為主，并可累及嗅球及嗅束，而枕葉及小腦不受累，提示腦部炎癥可能和嗅黏膜感染HSV，經由嗅系統擴散而引起上述典型的損害分布。
另有學者提出HSV系從三叉神經感覺節，沿著供應硬膜的神經擴散至其下的顳葉內側和額葉下部（Davis及Johnson，1979），但這一學說尚待肯定。
在兒童和青年，原發性HSV感染可導致腦炎；可以是病毒血癥的后果，但也可能系皰疹病毒經鼻咽部沿嗅神經直接侵入腦部所致。動物實驗研究表明，HSV-2比HSV-1對神經系統更具毒力。鑒于HSV-1主要與口唇感染有關，而HSV-2主要是引致生殖器感染，顯然HSV-1更容易接近和侵入腦部，故皰疹病毒性腦炎95%以上為HSV-1感染所致；而在新生兒患者則以HSV-2常見。成人單純皰疹病毒所致的腦炎的特征是損害以顳葉最嚴重，患者多數曾有單純皰疹病史，或血清HSV-1抗體陽性。腦炎的發生主要來自于體內HSV-1潛伏性感染的再激活。在機體免疫功能低下時，潛伏于三叉神經節（半月節）或脊神經節的HSV沿神經軸突侵入中樞神經系統，導致腦組織損害；或病毒長期潛伏于中樞神經系統內，在某些條件下激活而發生腦炎。此類患者可并無病毒血癥過程。