腦膜梅毒患者的腦及脊髓蛛網膜下腔有大量滲出物，在腦基底部(腳間池及視交叉池)常有滲出物沉澱，故腦神經常受損害。若第四腦室的中間孔及外側孔受阻，或間池、視交叉池及環池受阻，可引起腦室對稱性擴大，呈現腦積水病變。樹膠樣腫極爲少見。顯微鏡檢查可見蛛網膜下腔的滲出物以淋巴細胞及漿細胞爲主。腦及脊髓的邊緣也可有單核細胞浸潤及膠質細胞增生，血管周圍有單核細胞浸潤。
血管梅毒的好發部位在大腦中動脈、前動脈、脈絡膜前動脈、小腦後下動脈以及脊髓前動脈，這些動脈常爲梅毒螺旋體侵犯。早期動脈的血管滋養管和外膜有淋巴細胞和漿細胞浸潤，血管滋養層閉塞後引起中層脂肪變性壞死，平滑肌及彈力組織遭受破壞；血管內膜也有大量淋巴細胞及漿細胞浸潤，血管內膜下的或纖維向心性增殖，造成管腔狹窄和血栓形成，最後導致腦和脊髓軟化。光鏡下可見神經細胞退行性變性或消失，以及大量格子細胞增生；晚期可見膠質增生，爲大量星形細胞及纖維所組成。
全身性麻痹是腦梅毒的一種，病理特徵爲慢性梅毒性腦膜炎，導致腦實質變性。腦萎縮以額葉與顳葉最爲明顯，漸向枕葉發展。皮質神經細胞減少，星形細胞數目增加，小腦膠質細胞也增多並變大，形成棒狀細胞。皮質的切線纖維與兩側錐體束變性。用特殊染色法，約半數未經治療的病例腦標本中可在腦皮質與基底核處找到螺旋體。有時脊髓也可出現脊髓癆的病理改變，則稱爲脊髓癆麻痹。
脊髓癆時，脊髓後根尤其是胸下部及腰骶節段有萎縮，脊髓後索變薄及凹陷。脊髓橫切面可見後索呈灰色半透明狀態。光鏡下可見萎縮，軸索及髓鞘有退行性變和消失現象，繼而間質增生。脊髓後索的軸索及髓鞘發生退行性變及膠質增生。約15％病人可有慢性間質性視神經炎，其他腦神經也可受損。中腦被蓋前區膠質出生後，因損害了光．反射的傳人纖維，可發生阿一羅瞳孔。
