抽动障碍的神经病理学基础尚不清楚。由于基底神经节（basal ganglion）与不自主运动疾患有关，亨廷顿舞蹈病（Huntington’s chorea）和脑炎后帕金森病等基底神经节疾患也可有抽动症状发生，因此多数学者都把基底神经节作为抽动障碍可能的病理部位来研究，主要的病理部位可能是纹状体多巴胺能神经元的靶细胞膜受体。有关抽动障碍的神经病理学研究资料不多，基底神经节的病理发现尚不一致。Dewulf等于1941年对首例“特发性”抽动障碍患者进行尸体解剖，无异常发现。随后，Balthaser于1957年对1例死亡的抽动障碍患者进行尸体解剖，发现纹状体中含多巴胺丰富的细胞群中有一种异常的小纹状体细胞类型，这种异常的细胞可能是损害的后果，也可能是抽动障碍的病理学基础。Haber等于1986年对1例抽动障碍患者尸体解剖，行细致的神经病理学和免疫组织化学检查，发现在苍白球外侧段背部完全缺乏强啡肽（dynorphin）样阳性绒毛纤维，苍白球腹侧显示强啡肽样阳性纤维极少。因此，抽动障碍患儿脑内一个明确的病理变化是投射到苍白球的纹状体纤维内强啡肽减少。可能在导水管周围灰质和中脑被盖也有病理改变。还可能累及边缘前脑结构（尤其是前扣带皮层）和杏仁样复合体。基底神经节许多区域的5-羟色胺和谷氨酰胺（glutamate）减少；纹状体多巴胺摄取载体位点的数量增加以及苍白球类强啡肽（dynorphin-like）免疫反应性降低。Pulst推测抽动障碍患者在锥体外系中，特别在纹状体中可能存在一种亚显微的病灶，这种病灶可能与分娩时该区的损伤，发育不良或变性有关。关于抽动障碍的神经生物学基础，有作者认为可能与基底神经节和皮层-纹状体-丘脑-皮层环路（cortico-striatalthalamo-cortical circuitry，CSTC）受累有关。

从解剖生理学的角度来看，躯体运动与锥体系及锥体外系有关，行为异常与脑边缘系统有关。纹状体的大部分传入纤维来自边缘系统海马、杏仁核，通过多巴胺和5-羟色胺起调整作用，而纹状体支配边缘系统的神经通路甚少见。因此，抽动障碍的行为运动改变与杏仁核-纹状体通路的障碍有关。此外，抽动障碍各种形式的发声可能由于扣带回、基底神经节及脑干不规律的自发放电所致。Bonnet提出扣带回可能是抽动障碍的解剖部位，因为边缘前脑结构中的生化结构（尤其是前部扣带皮质）与被盖内特殊核团之间有联系。尸体解剖研究发现抽动障碍患者黑质纹状体投射存在异常，正常对照黑质纹状体投射在青春前期达到顶峰，而后逐渐下降；而抽动障碍患者黑质纹状体多巴胺能神经元投射较正常对照增多，可能是导致抽动障碍发生的病理生理学因素。

通常认为，基底神经节、额叶皮层、肢体运动中枢是抽动障碍的主要病变部位。抽动障碍与基底神经节病变或与其相连的神经通路异常有关，大脑其他部位的损害影响到基底神经节功能也可引起抽动障碍，黑质-纹状体通路的胞突广泛分布于尾核、壳核、苍白球及丘脑和下丘脑等，这些部位的病变也可引起抽动障碍。关于抽动障碍的神经病理学基础，推测主要集中于基底神经节及其与额叶皮层、扣带回、丘脑和中脑的联系。