Os insultos de curta duração e mais intensos causam dano isquêmico que leva a apoptose, na qual ocorre a fragmentação do DNA e à redução do núcleo e do citoplasma celular.

O insulto hipóxico causa mudança do metabolismo anaeróbico para aeróbico, o que leva à acidose metabólica (láctica) e a alterações cardiovasculares.

Com a ativação de receptores de aminoácidos excitatórios, há acúmulo dos íons Na+ e Ca++ e diminuição da ação da Na+/K+ − ATPase, cujo funcionamento depende de energia, conduzindo a um rápido edema citotóxico e a necrose.

Durante a fase de isquemia/hipóxia cerebral, acontece um aumento da recaptação de glutamato, levando ao aumento de seus níveis sinápticos e à ativação de receptores de aminoácidos excitatórios, como NMDA, AMPA e de cainato, processo denominado excitotoxicidade.

Os insultos mais leves e progressivos levam à necrose, que causa edema, reação inflamatória intensa e quebra das membranas celulares.