Nella sindrome di Rasmussen vi un'infiammazione cronica del cervello, con infiltrazione di linfociti T nel tessuto cerebrale. Nella quasi totalità dei casi, questo riguarda solo un emisfero cerebrale, il sinistro o il destro. Questa infiammazione provoca danni permanenti alle cellule cerebrali, portando all'atrofia dell'emisfero coinvolto; la conseguente epilessia può contribuire essa stessa al danno cerebrale. Si suppone che l'epilessia possa derivare da un rilascio disturbato di acido γ-amminobutirrico (GABA), il principale neurotrasmettitore inibitorio del cervello dei mammiferi.