EEE可致脑和脊髓损害。严重者病变累及大脑皮层和基底神经节。肉眼可见显著充血、水肿，脑回扁平。在光镜下，脑组织病变广泛，以脑干和基底核为重，脊髓病变轻微；病变中神经细胞呈不同程度的变性坏死，包括染色质溶解、胞浆水样变和空泡变性，甚至细胞崩解；胶质细胞大量增生并形成胶质细胞结节，病灶内及邻近的小血管周围呈“袖套”样细胞浸润并伴浆液渗出或出血。局灶性血管炎、血管内皮细胞肿胀、静脉与小动脉血栓形成、脱髓鞘、坏死、神经元溶解及噬神经细胞作用等均显著。在发病早期的死亡病例中，脑血管周围细胞浸润以中性粒细胞为主；发病1周后死亡的病例，则以淋巴细胞及单核细胞为主。严重的病例可有明显软化灶。在其他脏器组织也有病变，如内脏充血、肺水肿等。