Histológicamente, la enfermedad se caracteriza por depósitos de hierro localizados en astrocitos, células microgliales y neuronas; también se localizan extracelularmente, algunas veces alrededor de los vasos sanguíneos.

Otro hallazgo son lesiones asimétricas del globus pallidus, especialmente del segmento interno y la pars reticulata de la sustancia nigra caracterizada por la pérdida de fibras mielínicas y de neuronas, junto a gliosis. Por último destaca la presencia de estructuras ovales o redondeadas ampliamente diseminadas tanto en cerebro como en médula espinal, más numerosas en globus pallidus y en sustancia nigra, llamadas esferoides y que corresponden a axones edematosos

Es decir, la triada neuropatológica está formada por los depósitos de hierro en las zonas señaladas, pérdida neuronal con gliosis en globus pallidus y substancia nigra y por último, la presencia de esferoides o tumefacción de los axones