核黄疸是本病的主要并发症，早在1904年，Schmorl对1例因重症黄疸而死亡的新生儿进行尸解就发现其脑基底核被黄染，并首次命名为核黄疸(kernicterus)，此种黄染物质经分析确定为未结合胆红素，它能导致神经细胞的中毒性病变，故又称胆红素脑病(bilirubin encephalopathy)。
胆红素脑病最明显处是脑基底核，呈鲜亮黄色或深黄色;其他部位如海马沟，视丘，视丘下核，苍白球，壳核，顶核，尾状核，脑室核，小脑小叶和脊髓前角等均呈淡黄色;小脑，延脑，大脑半球的白质和灰质也可受影响，但更轻淡些。
基底核神经细胞在新生儿期在生理及生化代谢方面最活跃，耗氧量及能量均需要最大，故基底核最易受损，胆红素进入脑细胞后可能使脑细胞的线粒体氧化的偶联作用脱节，因此脑细胞的能量产生受到抑制，使脑细胞损害。
1.新生儿胆红素脑病与血-脑屏障的成熟度 ：完整的血-脑屏障具有栅栏作用，可限制某些物质(如胆红素等)进入中枢神经系统，所以对脑组织有保护作用，但当缺氧，感染，低血糖及酸中毒等的影响，其通透性有所改变，屏障作用就受到破坏，即所谓血-脑屏障开放，此时不仅游离胆红素可进入脑组织，而且与白蛋白联结的未结合胆红素也可进入，某些药物可影响血-脑屏障，尤当新生儿期血-脑屏障不够成熟，胎龄不足的早产儿更是如此，生后头几天新生儿血-脑屏障的通透性较大，胆红素易于透过，因此可认为新生儿血-脑屏障未成熟而易于发生核黄疸。
2.游离胆红素梯度： 未结合胆红素(UCB)系脂溶性，它与富有脑磷脂的神经细胞有亲和力，当UCB与白蛋白联结成为复合物后，因分子量大，一般情况下不能通过血-脑屏障，但不与白蛋白联结的UCB可通过，进入中枢神经细胞引起胆红素脑病，凡能使血清游离胆红素浓度增高的因素，如：①UCB浓度过高;②白蛋白含量过低;③存在竞争夺取白蛋白上联结点的物质均可导致胆红素脑病，血与脑游离胆红素梯度愈高，则其进入脑的量愈多，胆红素脑病的发生率也愈高。
3.胆红素浓度： 足月新生儿当无其他并发症时，其总胆红素浓度在307.8～342.0μmol/L(18～20mg/dl)以下时很少会发生胆红素脑病，当总胆红素>342.0μmol/L(20mg/dl)时就有可能导致部分新生儿发生胆红素脑病，未成熟儿的总胆红素浓度为256.5μmol/L(15mg/dl)或更低时就可能发生胆红素脑病。
4.胆红素脑病与其他因素： 某些高危因素可能直接或间接地促成胆红素脑病，如早产儿脑底神经核需氧多，代谢率高，当胆红素通过血-脑屏障后就易受影响，早产儿血清白蛋白含量偏低，致使胆红素与白蛋白的联结点减少;又如窒息缺氧，感染性脑膜炎，酸中毒及低蛋白血症等可减少胆红素与白蛋白的联结量;药物，饥饿及低血糖等可夺取联结点而降低血-脑屏障的保护作用，在处理新生儿高胆红素血症时，应及时考虑这些因素对血-脑屏障功能的影响。
