La fisiopatologia dell'ADHD non è chiara, essendoci allo stato attuale un certo numero di spiegazioni concorrenti. È stato osservato che nei bambini con ADHD vi è una generale riduzione di volume del cervello, con una diminuzione proporzionalmente maggiore nel lato sinistro della corteccia prefrontale. Sembra che siano coinvolti nella condizione anche i percorsi cerebrali che collegano la corteccia prefrontale e il corpo striato. Questo suggerisce che la disattenzione, l'iperattività e l'impulsività possono riflettere una disfunzione del lobo frontale con ulteriori regioni, come il cervelletto, che possono essere implicate. Altre strutture cerebrali legate all'attenzione sono state trovate differenti tra le persone con e senza ADHD.