La commozione cerebrale comporta una diffusa lesione cerebrale (al contrario di una di tipo focale), il che significa che la disfunzione si verifica su una vasta area del cervello, piuttosto che in un punto particolare. Si pensa comunque che il danno assonale sia più circoscritto, poiché gli assoni possono essere feriti in misura minore a causa di stiramento. Gli studi sui (primati) hanno rivelato danni ai tessuti cerebrali come piccole petecchie emorragiche e danno assonale. Il danno assonale è stato trovato, "postmortem", anche nel cervello di persone con commozione cerebrale che sono decedute per altre cause, sebbene un inadeguato flusso sanguigno al cervello dovuto ad altri motivi possa aver contribuito a ciò. Uno studio che ha analizzato lo stato del tessuto cerebrale di atleti di football americano deceduti e che avevano accusato almeno una commozione cerebrale quando erano in vita, ha suggerito che un danno permanente possa essere stato causato da questi eventi. Questo danno, la cui gravità aumenta con il numero cumulativo di commozioni cerebrali subite, può portare a una serie di altri problemi di salute.