重篤な脳損傷とは異なり、その定義からして直接または画像上で観察可能な器質的脳異常はない。

病態生理はまだ完全には解明されていないが、脳機能障害には興奮性神経伝達物質の異常が関与していると考えていており、これは興奮性神経伝達物質、特にグルタミン酸の過剰放出によって引き起こされる神経損傷である。

脳震盪の他の原因が単回の事象であると異なり、スポーツ選手は常に脳震盪のリスクに曝されている。そのため、繰り返し損傷がよくみられる。

前回の脳震盪から完全に回復する前に損傷が繰り返し発生した場合、アスリートはより脳震盪を起こしやすいが、たとえ回復後であっても一度脳震盪を経験した選手では将来脳震盪を起こす可能性が通常の2～4倍高くなる。

また、より軽度の衝撃で繰り返し脳震盪が発生する可能性がある。

さらにほとんどの選手は1回の脳震盪からは完全に回復するものの、そのうち3％は複数回の脳震盪から慢性外傷性脳症を発症する。