在結核性腦膜炎發病時軟腦膜可以出現彌漫的充血、水腫、和炎性滲出,并且形成許多結核結節。若膜下腔大量炎性滲出物積聚,容易導致腦脊髓增大,腦底血管神經周圍的毛細血管吸附作用等,脂炎性滲出物容易在腦底曲池聚集,滲出物中可見上皮樣細胞,朗格漢斯細胞以及干腦壞死。
很多患者還會出現腦神經損害,這是由于膠液膠原蛋白波及腦神經鞘包圍擠壓引起腦神經損害,常見面神經、舌下神經、動眼神經、神經障礙的臨床癥狀。另外還包括腦部血管病變,在早期主要為急性動脈炎,病程較長者增生性結核病變較明顯,可見栓塞性動脈內膜炎,嚴重者可引起腦組織梗死、缺血、軟化而至偏癱。