脑积水的病理改变基于发病的速度，也可分急性和慢性两类：急性脑积水可由任何突然的脑脊液吸收和回流障碍引起。起初脑脊液压力增加引起侧脑室额角的扩大,而后整个脑室系统扩大,随后脑室室管膜分离。室管膜的渗透性增加引起邻近白质水肿。
颅内有限的生理空间迅速被增加的脑脊液容积所占据，导致大脑皮质表面脑沟变平，脑回消失。急性脑积水临床上常见于脑出血、肿瘤、感染或导水管和第四脑室出口的迅速梗阻。除非梗阻解除，急性脑积水将导致脑疝或过渡到亚急性和慢性形式。在梗阻数周之后，脑积水转为慢性，此为最常见的形式。
当代偿机制失败后，脑积水的进程可被继发于颅压增高的脑脊液吸收增加所阻止，但大多数脑室将继续扩大。在婴儿，脑室扩大引起头围的明显增大，颅缝分离，梗阻平面以上的脑室明显扩张。白质受损速度要比灰质为快。胼胝体、锥体束、基底节、四叠体和脉络丛等均因长期受压而萎缩。第三脑室扩大可造成对视神经和垂体的压迫，大脑皮质断裂可造成脑室向蛛网膜下腔的穿通。
