巨型改變以幼紅細胞系列最顯著，具特徵性，稱巨幼紅細胞系列。巨幼紅細胞形態巨大，核染質疏鬆，呈點網狀結構。巨原紅細胞核仁大而藍，巨晚幼紅細胞核染質濃集差，核常靠邊緣可呈分葉狀，漿內充滿血紅蛋白。成熟紅細胞巨大而厚，常呈卵圓形，缺乏中心蒼白區，並伴大小不等、嗜多色性或含有嗜鹼性點彩、卡波氏環或豪-膠小體等。
巨型改變也見於粒和巨核細胞系列，尤以晚幼粒細胞為突出。晚幼粒和杆狀核粒細胞形態巨大，核形腫大，畸形，核染質疏鬆，胞質中顆粒較粗，稱巨晚幼粒和巨杆狀核粒細胞。分葉核分葉過多，常在5葉以上，甚至達16葉，稱巨多葉核粒細胞。巨核細胞體積也增大，核分葉過多，並且核間可不相連接。血小板生成障礙，可見巨大和形態不規則的血小板。
骨髓呈增生象，但血象為全血細胞减少，其主要病理生理改變為無效性紅細胞、粒細胞和血小板生成，稱為髓內溶血。巨幼細胞和大型紅細胞的生存期均較正常為短，可出現血清膽紅素增高、結合珠蛋白降低、乳酸脫氫酶增高，特別是LDH1和LDH2（來自幼紅細胞）增高。血清溶菌酶增高反映幼粒細胞的破壞。
維他命B12還參與神經組織的代謝。維他命B12缺乏，蛋氨酸合成减少，後者導致膽鹼和含磷脂的膽鹼合成障礙，並且由於腺甙鈷胺缺乏，導致大量甲基丙二醯輔酶A及其前身丙醯輔酶A的堆積。合成异常脂肪酸進入神經脂質，從而導致脫髓鞘病變，軸突變性，最後可導致神經原細胞死亡。神經系統可累及周圍神經、脊髓後側索及大腦。