Nell'edema citotossico la barriera emato-encefalica è fisicamente integra ma non è altrettanto per quanto riguarda il metabolismo cellulare: la riduzione nell'apporto di ossigeno e glucosio porta all'inefficacia della pompa sodio-potassio con conseguente accumulo di acqua, sodio e calcio nel comparto intracellulare sia nella sostanza bianca che nella sostanza grigia. L'edema citotossico si verifica per una perfusione cerebrale inferiore a 12 mL/100g tessuto/min e generalmente precede l'edema vasogenico. Si ha formazione di edema citotossico in risposta ad ischemia, traumi o problemi metabolici endogeni od esogeni.