ในระยะแรกของโรค ผู้ที่ป่วยเป็นโรคอัลไซเมอร์จะเกิดพยาธิสภาพขึ้น ที่บริเวณสมองกลีบข้าง (temporal lobe) ที่อยู่ด้านใน คือ ส่วนที่เรียกว่า ฮิปโปแคมปัส (hippocampus) ซึ่งเป็นส่วนที่ควบคุมเรื่องความจำ จึงส่งผลให้ผู้ป่วยสูญเสียความจำ ในระยะสั้น หลังจากนั้น ความสามารถของผู้ป่วยในด้านการทำงาน ที่ทำอยู่เป็นประจำ จะสูญเสียไป หรือทำงานมีประสิทธิภาพลดลง ในระยะต่อมา จะมีการตายของเซลล์สมองเกิดขึ้น ที่บริเวณผิวสมอง ในส่วนที่เกี่ยวข้องกับการควบคุมด้านภาษา และการใช้เหตุผล ผู้ป่วยจึงสูญเสียความสามารถในการใช้ภาษา และการตัดสินใจ ทำให้บุคลิกภาพผู้ป่วยเปลี่ยนแปลงไปจากเดิม นอกจากนี้ อารมณ์ และพฤติกรรมของผู้ป่วย ก็จะเปลี่ยนแปลงไปจากเดิมอย่างมาก เช่น อาจมีอาการก้าวร้าว และวุ่นวาย เดินไปเดินมาตลอดเวลา ซึ่งมักจะเกิดมากขึ้นเรื่อยๆ ท้ายที่สุด เซลล์สมองที่ผิวสมอง จะมีการเสื่อมสลายเพิ่มขึ้นตามลำดับ ทำให้สมองทั้งหมดฝ่อ หรือเหี่ยวอย่างชัดเจน เมื่อถึงระยะนั้นแล้ว ผู้ป่วยโรคอัลไซเมอร์มักจะนอนนิ่งอยู่แต่บนเตียง และช่วยเหลือตนเองไม่ได้เลย มีการถ่ายอุจจาระปัสสาวะราด โดยไม่สนใจ หรือตอบสนองต่อสิ่งแวดล้อมใดๆ ทั้งสิ้น

สำหรับพยาธิสภาพของเนื้อสมองที่เกิดขึ้นในโรคอัลไซเมอร์นั้น พบว่า มีลักษณะเด่น ๒ ประการ ที่ใช้เป็นหลักในการวินิจฉัยโรคนี้ คือ

            ๑) การเกิดแผ่นแอมีลอยด์ (amyloid plaque) ของเซลล์สมอง

            ๒) การพันกันยุ่งของใยประสาทเซลล์สมอง (Neurofibrillary tangle)

            แผ่นแอมีลอยด์ของเซลล์สมองเป็นก้อนโปรตีนที่มีโครงสร้างซับซ้อน ประกอบด้วย โปรตีนที่ไม่ละลายน้ำ เรียกชื่อว่า บีตา-แอมีลอยด์ (beta-amyloid) รวมกลุ่มกันแน่น พร้อมกับมีส่วนประกอบของเซลล์สมองที่ตาย ปนกับเซลล์ไมโครเกลีย (microglia) และแอสโตรไซต์ (astrocyte) เป็นกระจุก และเกิดอยู่นอกเซลล์สมอง ส่วนการพันกันยุ่งของใยประสาทเซลล์สมอง เป็นพยาธิสภาพ ที่เกิดขึ้นภายในเซลล์สมอง โดยมีเส้นใยยาวๆ ที่บิดตัวกันเป็นเกลียว พันกันยุ่ง มีส่วนประกอบส่วนใหญ่เป็นโปรตีน ที่เรียกชื่อว่า เทาโปรตีน (tau protein) ปัจจุบันได้มีการศึกษาค้นคว้าเกี่ยวกับโปรตีนทั้ง ๒ ชนิดนี้ว่า จะทำให้เกิดโรคอัลไซเมอร์ได้อย่างไร โดยพบว่า บีตา-แอมีลอยด์โปรตีนนั้น เกิดมาจากการย่อยสลายของแอมีลอยด์ พรีเคอร์เซอร์โปรตีน (amyloid precursor protein : APP) ซึ่ง APP นี้ เป็นโปรตีนที่มีความสัมพันธ์เกี่ยวกับผนังเซลล์ ของเซลล์สมอง ในด้านการดำรงอยู่ของเซลล์ การซ่อมแซม และการงอกขยาย ของส่วนต่างๆ ของเซลล์ ในภายหลัง ที่เกิดมีพยาธิสภาพต่อเซลล์เกิดขึ้น สาร APP จะถูกย่อยสลาย ด้วยเอนไซม์โพรทีเอส (protease) ให้กลายเป็นบีตา-แอมีลอยด์โปรตีน ซึ่งมีลักษณะเหนียวหนืด รวมกลุ่มกันอยู่ นอกเซลล์สมอง โดยเกาะติดกันแน่น รวมอยู่กับส่วนของเซลล์สมองที่ตายแล้ว และเซลล์ไมโครเกลีย ที่มาคอยกินเศษเซลล์ที่ตาย กลายเป็นแผ่นแอมีลอยด์ของเซลล์สมองขึ้นในที่สุด ปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า สารบีตา-แอมีลอยด์โปรตีนนี้ เป็นสารพิษต่อเซลล์สมอง ทำให้เกิดการอักเสบในสมองโดยตรง และยังทำให้เซลล์สมองถูกทำลายได้ง่ายขึ้น ในขณะเกิดภาวะสมองขาดเลือด ด้วยการยอมให้แคลเซียมทะลักผ่านผนังเซลล์ เข้าไปในเซลล์สมองได้อย่างมากมาย มีผลทำให้เซลล์สมองตายในที่สุด