Riguardo ai gangli basali, il nucleo caudato, che mette in atto normalmente un meccanismo di filtraggio dei messaggi ricevuti dalla corteccia cerebrale (parte più esterna del telencefalo e che presiede al pensiero razionale), realizza funzioni come il pensiero, il processo decisionale e la comprensione, e nelle persone affette da DOC e patologie simili è disfunzionale e presenta una maggiore attivazione, oltre che un'alterazione con aumento del metabolismo basale cerebrale del glucosio, che è possibile migliorare o peggiorare anche con i comportamenti appresi e messi in atto (tale aumento è più consistente in condizioni di stimolazione da sintomi ossessivi). La corteccia cerebrale diviene iperattiva e il paziente quindi presenta un errore nel procedimento di selezionamento degli impulsi, attivando poi, in seguito alla persistenza dei pensieri ossessivi nella corteccia prefrontale orbitale (che è anch'essa meno funzionale), le reazioni ansiose derivate dai nuclei più profondi del cervello, quali l'amigdala, vicina al putamen (struttura che lavora assieme al nucleo caudato con funzioni simili) e collegata quindi ai gangli della base direttamente. Gli studi di brain imaging mostrano un allargamento dei ventricoli presente nel DOC ad esordio precoce ed un'asimmetria del nucleo caudato con prevalenza della sostanza grigia.