脑是机体耗氧量最大、需要能量最多的器官。而脑内能源贮备非常有限，对缺氧、缺血耐受性很差。心搏骤停后的脑损伤是一个复杂的病理过程：包括缺血期的原发性损伤和再灌注期的继发性损伤。其始动因素是缺血、缺氧。

ATP是维持脑细胞功能及生存的基础，一旦能量耗竭，脑细胞将受到严重损害。心搏骤停后，脑血流中断4～5分钟ATP就会耗竭，使细胞膜上离子泵功能障碍，细胞不能维持正常膜内外离子浓度梯度，钾离子外流，钠离子内流，伴随钙和氯离子分布异常，影响脑细胞功能。细胞内钙离子浓度升高，激活蛋白激酶及磷脂酶，破坏细胞膜磷脂产生大量游离脂肪酸，从而触发前列腺素的生成和由其介导的一系列生化反应，进一步损伤细胞膜而导致细胞的死亡。此外，心搏骤停缺血后膜的去极化和胞内钠的积聚还能引起脑内兴奋性神经递质大量释放，主要是谷氨酸和天冬氨酸。谷氨酸浓度升高可以激活NMDA受体，该受体是钙通透性的。受体通道的开放能引起更广泛钙内流，加剧细胞内钙离子超载，激发一系列瀑布样病理生理过程，进一步损伤脑细胞膜。如此形成恶性循环加重脑损伤。

心搏骤停复苏后脑血流动力学的改变可加重脑损伤，其改变可分为四期：即多灶性无再灌流，反应性充血，延迟性低灌流期和脑再灌流后期。CPR脑循环重建后，大部分脑内微血管仍不能被血液重新灌注：无复流现象。脑微血管无复流现象可造成继发性缺血、缺氧。脑缺血-再灌注损伤后，有一个持续15～30分钟的短暂充血期，但是90分钟后，脑血流量可减少至正常的50%以下。这种延迟性低灌流期可持续长达12小时，目前，其发生机制尚不明确，可能与组织水肿、血流淤滞、血管内皮肿胀、血管收缩及各种生化改变所产生的许多有害介质有关。脑血流再灌注时，可通过黄嘌呤氧化酶、线粒体系统、白细胞系统及花生四烯酸系统等使自由基大量产生，同时自由基防御系统功能受损，动态平衡被打乱。自由基具有很高的化学活性，可快速攻击其他化合物分子并产生更多的自由基，破坏膜结构中蛋白成分，引起膜脂质过氧化，导致膜损伤，线粒体功能障碍，溶酶体破裂和细胞溶解等一系列自由基连锁反应。此外，凋亡是脑缺血-再灌注损伤后神经元死亡的重要方式，尤其是迟发性神经元死亡。这种脑损伤在自主循环恢复后将持续3天甚至更长时间。