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신경계 질환의 병리적 요인은 ① 유전, ② 염증, ③ 기계적 손상, ④ 종양성 질환, ⑤ 대사장애·독소·내분비장애, ⑥ 혈관계 질환 등을 들 수 있다. 유전되는 신경계 질환은 비교적 흔하고 어느 부위나 침범당할 수 있다. 예를 들면 근이영양증, 척수소뇌변성, 운동·감각 신경병증, 태아신경관봉합장애, 대사장애, 신경계의 조기퇴행이나 기형 등이 있으며 간질발작도 유전성이다.

뇌는 혈액뇌장벽의 보호를 받으나 때로 구멍이 생겨 세균·바이러스·균류 등에 침범당하는 경우도 있다. 뇌의 주요 염증성 질환은 뇌염과 뇌막염이고, 근육과 말초신경이 직접 감염되는 경우는 드물다. 디프테리아와 보툴리누스에 감염되는 경우에는 면역계의 작용에 의해 중추신경계와 말초신경계가 심각한 손상을 받을 수가 있다. 기계적인 손상은 신경계의 모든 수준에 영향을 줄 수 있다.

압박은 보통 뇌의 내부나 뇌경질막의 내외에 생긴 혈전에 의해 발생하지만 혈관에서 액이 밖으로 새어나가 생기는 선천성뇌수종도 있다. 발작과 정신분열, 인성의 변화 등도 일어날 수 있고, 때로 일시적인 의식상실을 가져오는 뇌진탕도 나타난다. 중추신경계 뉴런은 손상 후 대체가 되지 않아 척수가 손상되면 수의운동과 감각의 영구적 손실을 초래한다.

종양은 신경계를 침범하며 침범 부위는 뇌막·뇌·척수·척수근·말초신경 등 다양하다. 말초신경의 경우는 대개 양성인데, 종양은 발생부위의 조직을 파괴하고 이웃해 있는 조직을 압박하며 두개내압을 증가시킨다. 신경계 밖에서 기원한 것이 신경계를 침범할 수도 있으며 뇌출혈발작증후군을 비롯한 혈관계 질환도 중요한 병리적 원인 중의 하나이다.

중추신경계는 대사율이 높아서 순환에 이상이 생기면 뉴런에 비가역적 손상이 생기고 말초신경계는 중추신경계에 비해 오래 견딘다. 동맥파열로 인한 출혈은 더욱 위험하다. 그외의 병리과정에는 탈수초나 변성도 있다.

수초가 반흔조직으로 대체되면 충격전도가 방해를 받아 축색이 손상받는 것과 같은 결과를 초래하는데, 이런 탈수초현상은 선천성대사장애나 바이러스성 감염으로 일어나기도 한다(→ 탈수초성 신경병증). 변성은 확실한 이유없이 뉴런이 점차 파괴되는 것으로서 알츠하이머병은 주로 대뇌피질을, 헌팅턴 무도병이나 파킨슨병은 기저핵과 대뇌피질을, 운동뉴런질병은 피질핵수로와 복각세포(ventral-horn cell)를, 척수소뇌변성은 척수·소뇌뿐만 아니라 때로는 말초신경에 이르는 긴 경로를 공격한다. 전기활동의 장애로 나타나는 질병에는 간질발작이 있는데, 이는 회색질의 전하가 갑자기 변하는 것이며, 수면발작(narcolepsy)은 수면 메커니즘의 장애로 발생한다.