流行性脑脊髓膜炎败血症期的主要病变为血管内皮损害，血管壁有炎症、坏死和血栓形成，同时血管周围有出血，皮下、粘膜及浆膜也可有局灶性出血。重症流脑败血症的皮肤和内脏血管有内皮细胞坏死和脱落，血管腔内有血栓形成。皮肤、心、肺、胃肠道和肾上腺均有广泛出血。心肌炎和肺水肿亦颇为常见。脑膜炎期的病变以软脑膜为主，早期有充血，少量浆液性渗出及局灶性小出血点，后期则有大量纤维蛋白，中性粒细胞及细菌出现。病变累及大脑半球及颅底。颅底部由于脓性粘连压迫及化脓性改变的直接侵袭，可引起视神经、外展神经、面神经、听神经等颅神经短暂性、甚或永久性损害。此外，炎症可沿着血管侵入脑组织，引起充血、水肿、局灶性中性粒细胞浸润及出血。重症流脑脑膜炎的脑组织病变严重，有明显充血水肿，颅内压明显增高，可出现昏迷及惊厥等脑炎症状，部分病人有天幕裂孔疝及枕骨大孔疝，即出现瞳孔改变、偏瘫、去大脑强直、呼吸衰竭等严重症状。少数慢性病人有脑室孔阻塞和CSF循环障碍而发生脑积水。