单纯的脑干损伤并不多见，脑干包括中脑，脑桥和延髓，当外力作用在头部时，不论是直接还是间接暴力都将引起脑组织的冲撞和移动，可能造成脑干损伤。
其他严重的脑损伤导致脑疝和脑水肿，压迫脑干组织，或引起脑干组织炎性反应可诱发该病。
脑干位于脑的中心，其下为斜坡，背负大小脑，当外力作用于头部时，脑干除了可直接撞击于坚硬的斜坡骨质外，还可受到大脑和小脑的牵拉，扭转，挤压及冲击等致伤，其中以鞭索性，扭转性和枕后暴力对脑干的损伤最大，通常额部受伤时，可使脑干撞击于斜坡上;头侧方暴力作用使脑干嵌挫于同侧小脑幕切迹上，枕后受力使脑干直接撞击于斜坡和枕骨大孔上;扭转和牵拉运动致伤可使脑干受到大小脑的作用受伤，头部因突然仰俯运动所致鞭索性损伤中，延髓受损机会较多;双脚或臀部着力时枕骨发生凹陷骨折，则可直接损伤延髓;此外，当头部受击引起颅骨严重变形，通过脑室内脑脊液冲击波亦可造成中脑导水管周围或四脑室底的损伤。
原发性脑干损伤的病理改变常为挫伤伴灶性出血和水肿，多见于中脑被盖区，脑桥及延髓被盖区次之，脑干受压移位，变形使血管断裂引起出血和软化等继发病变。
弥漫性轴索损伤(Diffuse axonal injury，DAI)，系当头部遭受加速性旋转暴力时，因剪应力而造成的神经轴索损伤，病理改变主要位于脑的中轴部分，即胼胝体，大脑脚，脑干及小脑上脚等处，多属挫伤，出血及水肿，镜下可见轴索断裂，轴浆溢出，稍久则可见圆形回缩球及血细胞溶解含铁血黄素，最后呈囊变及胶质增生，国外学者提出所谓原发性脑干损伤实际上是DAI的一部分，不应作为一种独立病征，通常DAI均有脑干损伤表现，且无颅内压增高，故需依靠CT或MRI检查才能诊断。
继发性脑干损伤为颞叶钩回疝，脑干受挤压导致脑干缺血损伤。
