脑膜梅毒患者的脑及脊髓蛛网膜下腔有大量渗出物，在脑基底部(脚间池及视交叉池)常有渗出物沉淀，故脑神经常受损害。若第四脑室的中间孔及外侧孔受阻，或间池、视交叉池及环池受阻，可引起脑室对称性扩大，呈现脑积水病变。树胶样肿极为少见。显微镜检查可见蛛网膜下腔的渗出物以淋巴细胞及浆细胞为主。脑及脊髓的边缘也可有单核细胞浸润及胶质细胞增生，血管周围有单核细胞浸润。

血管梅毒的好发部位在大脑中动脉、前动脉、脉络膜前动脉、小脑后下动脉以及脊髓前动脉，这些动脉常为梅毒螺旋体侵犯。早期动脉的血管滋养管和外膜有淋巴细胞和浆细胞浸润，血管滋养层闭塞后引起中层脂肪变性坏死，平滑肌及弹力组织遭受破坏；血管内膜也有大量淋巴细胞及浆细胞浸润，血管内膜下的或纤维向心性增殖，造成管腔狭窄和血栓形成，最后导致脑和脊髓软化。光镜下可见神经细胞退行性变性或消失，以及大量格子细胞增生；晚期可见胶质增生，为大量星形细胞及纤维所组成。

全身性麻痹是脑梅毒的一种，病理特征为慢性梅毒性脑膜炎，导致脑实质变性。脑萎缩以额叶与颞叶最为明显，渐向枕叶发展。皮质神经细胞减少，星形细胞数目增加，小脑胶质细胞也增多并变大，形成棒状细胞。皮质的切线纤维与两侧锥体束变性。用特殊染色法，约半数未经治疗的病例脑标本中可在脑皮质与基底核处找到螺旋体。有时脊髓也可出现脊髓痨的病理改变，则称为脊髓痨麻痹。

脊髓痨时，脊髓后根尤其是胸下部及腰骶节段有萎缩，脊髓后索变薄及凹陷。脊髓横切面可见后索呈灰色半透明状态。光镜下可见萎缩，轴索及髓鞘有退行性变和消失现象，继而间质增生。脊髓后索的轴索及髓鞘发生退行性变及胶质增生。约15％病人可有慢性间质性视神经炎，其他脑神经也可受损。中脑被盖前区胶质出生后，因损害了光．反射的传人纤维，可发生阿一罗瞳孔。