Las lesiones postraumáticas han sido divididas en focales y difusas. Se consideran lesiones focales las fracturas de cráneo, las contusiones de superficie, laceraciones, hematomas y el daño focal secundario a aumento de la presión intracraneal etc. Son lesiones difusas, el daño axonal difuso, (DAI: diffuse axonal injury), el daño isquémico-vascular y el edema cerebral.

Un daño cerebral difuso muy frecuente en los enfermos politraumatizados es el embolismo de médula ósea; los microémbolos procedentes generalmente de huesos largos son capaces de atravesar el filtro pulmonar y llegar al cerebro a través de la circulación sistémica alojándose en los capilares. Otra patología frecuente es el aumento de la presión intracraneal producido por el edema cerebral difuso ó focal o por hematomas (75% de los TCE). Se producen entonces desplazamientos y hernias cerebrales comprometiendo estructuras vasculares que agravan el proceso isquémico. Es frecuente la herniación del uncus o de toda la circunvolución parahipocámpica comprimiendo a la arteria cerebral posterior, el retorno venoso, y algunos pares craneales, de forma idéntica a lo que ocurre en tumores o abcesos. Las secuelas por daño de la formación del hipocampo suelen conllevar importantes trastornos de memoria anterógrada que remedan demencias. La herniación de la circunvolución pericallosa a través de la hoz del cerebro es responsable de gran número de los cuadros frontales que padecen estos pacientes.

Otras complicaciones de los TCE menos frecuentes son las infecciones, empiema subdural, daños de nervios craneales, rotura del tallo hipofisario, separación de tronco y médula etc.

Hoy se sabe que los cuadros inicialmente descritos como "demencias postraumáticas" y en los que se observaba un daño difuso de la sustancia blanca corresponden a daño axonal difuso (DAI). Este término DAI, es aceptado ya en la nomenclatura internacional. Se refiere a una lesión muy grave y frecuente que es responsable, junto con el hematoma intradural de 2/3 de las muertes en los TCE. Ocurre casi exclusivamente en accidentes de tráfico; su incidencia es superior al 30% de los TCE graves y es la causa más común del estado vegetativo postraumático. Se produce en el momento mismo del accidente por un deslizamiento y “desprendimiento” de los axones de la sustancia blanca. Clínicamente estos pacientes entran en coma inmediatamente o a las pocas horas del TCE y algunos de ellos permanecen en estado vegetativo crónico. Esta patología está estudiada desde el punto de vista anatomopatológico y se ha conseguido reproducir en primates.

Se clasifica en tres grados o estadios: I: daño axonal difuso de la sustancia blanca; II: daño difuso de la sustancia blanca y hemorragias en la rodilla del cuerpo calloso y paredes ventriculares; el estadio III indica además lesiones en tronco del encéfalo. Los casos en los que ha habido un intervalo lúcido entre el TCE y la entrada en coma del paciente suelen ser grado I ó II mientras que los pacientes con el grado III suelen entrar en coma casi inmediatamente al accidente.

Desde el punto de vista macroscópico, el cerebro puede ser normal, excepto las lesiones que puede tener asociadas todo TCE. Pero en los estadios II y III se observan hemorragias pequeñas en la rodilla del cuerpo calloso, sustancia blanca, ganglios basales, pedúnculo cerebeloso superior y parte posterior y lateral del tronco cerebral. Microscópicamente los cambios axonales se observan a las 15-18 horas del TCE. Se observa además transformación gigantocelular de los astrocitos. La microglía se tiñe con PAS, Luxol-fast-blue, plata metenamina y azul perolizado, indicando que adquiere carácter fagocitario para restos mielínicos, axones y hierro.