病毒通過蜱的叮咬森林腦炎病毒進入人體，在接觸局部淋巴結或單核-巨噬細胞後，病毒包膜E蛋白與細胞表面受體相結合，然後融合而穿入細胞內，病毒在淋巴結和單核巨噬細胞系統內進行複製。複製的病毒不斷釋放而感染肝、脾等臟器。感染後3～7天，複製的病毒大量釋放至血液中形成病毒血症，可表現病毒血症症狀，病毒隨血流進腦毛細血管，最後侵入神經細胞，亦可通過淋巴及神經途徑抵達中樞神經系統，產生廣泛性炎症改變，臨床上表現為明顯的腦炎症狀。
蜱傳腦炎病毒侵入人體後是否發病，决定於侵入人體病毒數量及人體免疫功能狀態，若侵入人體的病毒量少，在病毒進入單核巨噬細胞系統複製過程中或複製後經血流進入中樞神經系統的行程中，被機體細胞介導免疫、補體、抗體等人體免疫功能所滅活，則不發病。若僅少數病毒侵入中樞神經系統，且毒力弱，不足以造成嚴重病理損傷，此時，則不引起發病或症狀很輕。若人體細胞免疫功能低下或缺陷，大量病毒侵入人體，且病毒毒力强，侵入中樞神經系統後可引起大量神經細胞破壞。此外，人體免疫功能在對抗病毒抗原反應中也可引起神經髓鞘的脫失和周圍血管及血管組織的破壞。由於血管破壞引起迴圈障礙，又進一步引起相應神經組織的受損，這樣，臨床上出現明顯症狀和典型病程經過。
森林腦炎病理改變廣泛，大腦半球灰質、白質及腦膜均可累及，脊髓頸段、腦橋、中腦及基底神經節病變常較為嚴重，這是因為血管分佈特別多的網狀結構中病毒特別多之故。與乙型腦炎不同，本病脊髓亦有明顯損害，頸段比胸、腰段重，灰質比白質重。腦及脊髓病變主要為炎性滲出性病變，表現為出血、充血、血管周圍淋巴細胞套狀浸潤，神經細胞變性、壞死及神經膠質細胞增生，亦可出現退行性病變。體內臟器肝、腎、心、肺均可出現滲出性和退行性病變。