核黄疸是胆红素脑病的外在表现形式。胆红素可选择性对灰质和神经元坏死染色，是由相对较高血清浓度未结合的胆红素引起。胆红素浓度升高的原因有溶血紊乱、巨大血肿吸收、原发性或获得性胆红素结合功能缺失。胆红素浓度大于20mg/dl是行交换输血预防胆红素脑病的适应证。其他因素如早产、低白蛋白（清蛋白）浓度、窒息、酸中毒、脓毒症可降低血清胆红素阈值，使胆红素浓度为10~15mg/dl就可导致核黄疸。一些资料显示，较低血清浓度胆红素也可以引起较轻的胆红素脑病。

胆红素的致病机制是由于神经元中毒和死亡导致胆红素进入脑组织。不成熟血-脑屏障允许胆红素神经实质的观点不再被认可。内皮细胞受损可由窒息、颅内感染等因素引起，由于内皮细胞受损或血清渗透压提高导致血-脑屏障渗透性提高，从而有利于胆红素的进入。胆红素与磷酸酯类结合形成亲脂复合体，该复合体可轻易通过完整的血-脑屏障。胆红素的神经毒性主要作用在脑细胞的线粒体，同时，缺氧和低血糖可对线粒体损伤起作用。但对胆红素选择性作用于特定神经核和灰质等部位的原因仍然不清楚，可能是血管因素、结合部位或结合部位生化过程等原因。

胆红素脑病的主要病理特征是肉眼可见对称的灰质部位胆红素染色和该部位神经元坏死。主要受累部位为苍白球、背侧丘脑、下丘脑、脑神经核、下橄榄核、薄束核和楔束核、小脑顶核。较少受累部位为海马、豆状核、外侧膝状体体部和前角。在新鲜脑组织和10%甲醛固定的脑组织中都可以明显看到黄颜色改变。大体染色组织学显示在皱缩神经元内含有固缩的细胞核。甚至在石蜡切片中，胆红素色素仍然容易辨认，可能是胆红素色素与细胞膜存在结合。缺血性神经元坏死可出现在色素沉着处。在急性胆红素脑病时期成活而后来死亡的婴儿脑组织中，神经元丧失和星形胶质细胞纤维增生是普遍的。在1岁内，这些儿童可表现为肌张力低下、腱反射活跃、持续性颈紧张反射、运动功能发育迟缓，以后可表现为锥体外系症状和视觉障碍。