Đường xâm nhập thay đổi tùy theo từng loại virus gây bệnh Có nhiều virus có thể lây truyền từ người sang người. Một số trường hợp viêm não lại do sự tái hoạt động của virus trong cơ thể như herpes simplex virus. Muỗi và các côn trùng truyền bệnh thông qua đường vào từ các vết đốt. Bệnh dại có đường vào từ các vết cắn của một số động vật. Với một số virus như varicella-zoster virus (VZV) và virus vùi hạt cự bào (cytomegalovirus: CMV) thì tình trạng suy giảm miễn dịch đóng một vai trò quan trọng trong sự phát sinh bệnh.

Thông thường thì virus nhân lên bên ngoài hệ thống thần kinh trung ương và đi vào hệ thống này hoặc bằng đường máu hoặc đi ngược theo các dây thần kinh (bệnh dại, herpes simplex virus và varicella-zoster virus) và đường khứu giác (herpes simplex virus). Nguyên nhân của các trường hợp viêm não chậm như viêm não xơ hóa bán cấp tiến triển (subacute sclerosing panencephalitis: SSPE) sau sởi, bệnh lý chất trắng đa ổ tiến triển (progressive multifocal leukoencephalopathy: PML) vẫn chưa được hiểu tường tận.

Một khi đã vượt qua được hàng rào máu-não, virus xâm nhập tế bào thần kinh gây nên rối loạn chức năng tế bào, xung huyết quanh mao mạch, xuất huyết, và đáp ứng viêm lan tỏa ảnh hưởng đến chất xám và chất trắng tuy nhiên chất xám bị ảnh hưởng nặng nề hơn. Bệnh lý não khu trú là hậu quả của tổn thương một vùng não nào đó do virus có ái tính cao với vùng này. Ví dụ herpes simplex virus thường ảnh hưởng đến thùy thái dương dưới và giữa.

Mặc dù các đặc điểm mô học là không đặc hiệu, sinh thiết não vẫn là tiêu chuẩn chính để chẩn đoán bệnh dại. Sự hiện diện của các thể Negri (Negri bodies) ở hồi hải mã (hippocampus) và tiểu não (cerebellum) là đấu hiệu chỉ điểm của bệnh. Trong viêm não do herpes simplex virus, các hạt vùi HSV Cowdry type A cùng với hiện tượng hoại tử xuất huyết thùy thái dương và thùy trán là dấu hiệu thường thấy.

Ngược lại với các bệnh lý ảnh hưởng trực tiếp đến chất xám kể trên thì các bệnh lý gây viêm não cấp lan tỏa hoặc viêm não tủy sau nhiễm trùng sau sởi, Epstein-Barr virus (EBV), và virus vùi hạt cự bào (CMV) thường là do đáp ứng miễn dịch gây nên tổn thương hủy hoại myeline đa ổ chất trắng xung quanh mạch máu .