由于圆锥角膜确切病因不清，可能为多因素所致，如遗传因素、内分泌因素等。明显的圆锥角膜易于确诊。当外观及裂隙灯所见不典型时，早期诊断较困难。最有效的方法为角膜地形图检查。其他还有Placido盘、角膜曲率计、视网膜检影等。
根据穿透性角膜移植时切除的圆锥角膜组织标本，光镜下最显著的病理改变为中央部角膜基质层比周边部明显变薄，以圆锥顶为最薄。早期便有上皮细胞受损，表现为细胞水肿、核固缩，胞质内细胞器受到不同程度破坏。
晚期时基底细胞消失，只剩下1～2层扁平细胞。在圆锥底部周边，可见铁质聚集在上皮细胞各层及前弹力膜中。前弹力膜发生增厚和纤维变性，在相差显微镜下可见此膜失去正常的均质性，呈波浪状，并有断裂，裂口可由其下的基质胶原凸起或上皮细胞所填充。这种破裂在椭圆形圆锥比圆形圆锥更易发生。基质层可发生胶原纤维变性，最后可广泛遭到破坏，由新生的排列不规则结缔组织所代替。
晚期的基质显著变薄。以往认为是一些胶原板层从其他板层及前弹力膜上分离、滑脱使角膜变薄，并非真正的胶原溶解。有人在电子显微镜下发现基质层的胶原小板数与正常角膜相近，认为胶原小板本身变化不大，变薄的原因是小板间的间质减少。
据报道，有12、3%病例发生后弹力膜破裂，不久便有破口缘向基质前卷曲。然后邻近的内皮细胞通过本身的面积扩大和滑行移动覆盖破口区，新生的后弹力膜逐渐铺平。基质层水肿逐渐消退，形成瘢痕结缔组织。病变早期的内皮细胞尚属正常，晚期可变扁平并发生核分离。
后部型圆锥角膜与前部型的主要鉴别在于后部型角膜后表面的弯曲度加大。前表面的弯曲度正常;而前部型角膜前后表面的弯曲度均有变化。
球形角膜为先天性角膜异常，累及范围极大，可侵及全角膜，表现为角膜基质及周边部均匀变薄，仅为正常角膜厚度的1/5左右，在某些病例甚至可以见到周边部较中央部更薄，在外力的撞击下极易发生角膜穿孔。组织学检查角膜各层组织均具备。其病因与发病机制未明，可能与圆锥状角膜同属一类疾病。曾有报道某些病例一眼为圆锥状角膜，另一眼为球形角膜。