Los daños producidos en el tejido son debidos en parte al propio trauma, daño primario, y otros son consecuencia de los fenómenos moleculares y celulares que ocurren en las primeras horas o días, daño secundario.

El mecanismo fisiopatológico es muy parecido al que ocurre en la isquemia. En la membrana celular se forman poros dando lugar a alteraciones iónicas; la elevación de calcio intracelular da lugar a lesiones celulares que se manifiestan de forma retardada.

En el periodo en que se producen fenómenos secundarios postraumáticos hay una expresión aumentada de la molécula de adhesión ICAM-1, presente en todos los endotelios de organismo. La elevación de esta molécula lleva a una fuerte interacción entre las células endoteliales, y los leucocitos quedan alojados en el lecho capilar; allí liberan sustancias citotóxicas y destruyen neuronas y glía; pasadas unas horas del TCE, el edema se intensifica y la isquemia se agrava. Estos cambios condicionan por tanto un trastorno de la microcirculación cerebral. Existe un anticuerpo monoclonal contra la molécula ICAM-1 que se ha utilizado, como arma terapéutica para reducir las secuelas neurológicas. El mecanismo de acción de este fármaco consiste en reducir el edema y disminuir la exudación de leucocitos.

Hay otros fenómenos secundarios que ocurren en el tejido que sufre un TCE. Se producen fenómenos de apoptosis y mayor plasticidad neuronal y hay una elevación y posterior descenso brusco de los genes de acción rápida c-fos y, c-jun; estos genes controlan los factores de crecimiento neural, las proteínas del citoesqueleto y ciertas enzimas metabólicas que son neuroprotectoras. Se produce también una inducción de la HSP-72 y formación de radicales libres.