脑溢血的发病机制比较复杂，但主要与高血压有关。因为长期的血压增高导致动脉壁发生透明变性，使得原本较为坚韧的动脉壁变薄、变脆，一旦出现一些较为细小的动脉瘤或者囊状的动脉壁扩张，就会使动脉对血压升高的耐受性下降，而脑动脉的表现尤为严重。此时如果血压骤然升高，就会让内壁变薄的细小动脉突然破裂出现脑出血。这就可以解释为什么要提醒老球迷在观看世界杯的时候得悠着点，因为情绪一激动，分分钟会造成脑血管的爆裂。
动脉血管流出的血液会凝成血块，并且聚集在血管外的脑组织上释放各种有毒活性物质，使得周围动脉进一步收缩，造成周围血管的再次破裂，引发恶性循环，这也就解释了为何临床上多见短时间再次出血的表现。
在多次反复之后，局部脑组织内形成较大的血凝块，压迫破裂的血管。此时血肿形成，出血才逐渐停止。这个过程血肿块可释放血红蛋白降解产物，高浓度的血红蛋白对神经细胞有较为明显的毒性作用。与此同时，出血发生后，人体内全身凝血机制激活，血液内凝血酶浓度增加，聚集在脑组织内可以导致脑水肿，最后造成患者脑死亡的情况，这是脑出血后最为常见的继发改变。
上述的主要是高血压出血的发病机制，临床上还有另外一种特殊的脑出血称为“蛛网膜下腔出血”。此种疾病的特点在于其出血主要表现为脑组织之外，蛛网膜之内的腔隙内积血。其主要发病机制主要是由于脑血管动脉瘤、脑血管畸形造成。
