Existen dos procesos diferentes involucrados en la mayoría de los TCE: una lesión primaria, que es causada directamente por el propio impacto y un conjunto de lesiones secundarias, que son el resultado de las complicaciones locales y de otros sistemas corporales. Dentro de las lesiones primarias podemos distinguir: Lesiones abiertas o penetrantes en las que algún objeto fractura el cráneo, penetra en el cerebro y lesiona el tejido cerebral a su paso. Lesiones cerradas que se producen cuando el cerebro, debido al impacto, se ve sometido a fuerzas de aceleración y desaceleración, que dañan las conexiones nerviosas. En este tipo de lesiones el cerebro es sacudido violentamente hacia delante y hacia detrás (golpe-contragolpe), chocando con la parte anterior y posterior del cráneo, así como con el resto de relieves óseos que encuentra a su paso. Este movimiento genera normalmente lesiones en los lóbulos frontales, en el lóbulo occipital y en los temporales. Además, como consecuencia del TCE, se genera en el interior del cráneo una fuerza de rotación que afecta a los axones de las neuronas (sustancia blanca), alterando la comunicación entre las distintas áreas cerebrales; es lo que denominamos daño axonal difuso.
