PV病变主要累及骨髓、脾、肝。骨髓内红髓明显增多，而脂肪组织相对减少。骨髓结构仍基本正常，红系增生极为明显，粒及巨核细胞系常同时增生，或其中之一增生，部分患者仅红系单独增生。幼红细胞在静脉窦旁呈岛状增生，各阶段幼稚粒细胞在小梁旁及血管周围弥漫性增生，巨核细胞在小梁间区增生。骨髓中增生的细胞呈高度异型性，血窦扩张显著。骨髓贮铁细胞及铁颗粒明显减少，约80%患者铁染色阴性。病程后期，成纤维细胞及血管明显增生，同时出现大红细胞造血岛，伴不成熟粒细胞和异形巨核细胞。网状纤维染色示网状纤维高度增生，预示将转化或合并骨髓纤维化。
早期脾窦显著扩张、充血，红系细胞增多，伴少量幼稚红细胞。晚期脾内可出现三系造血细胞，类似髓样化生。有作者认为，脾肿大是由于成熟红细胞及血小板在脾内积聚，引起脾淤血所致。肿大的肝内肝窦扩张，其中细胞成分相似于脾窦，晚期肝内也可发生髓样化。
上述肝、脾的病理改变也是导致门静脉高压及频发上消化道出血的病理基础。如较大血管内有血栓形成，相应脏器可见梗死灶。其他脏器通常无明显病理变化。