El cerebro, encerrado dentro del marco óseo del cráneo, es una material gelatinoso que flota dentro de un mar de fluido cerebroespinal. Este fluido sostiene al cerebro y actúa como amortiguador de golpes en los movimientos rápidos de la cabeza. La superficie externa del cráneo es lisa, pero la interna tiene irregularidades que pueden causar importantes daños en las lesiones de cabeza cerrada, ya que el cerebro rebota dentro del cráneo sobre estructuras óseas rugosas.
Las lesiones cerebrales pueden ser causadas por fracturas o penetración del cráneo (como en el caso de un accidente vehicular, una caída o una herida de arma de fuego), el proceso de una enfermedad (neurotoxinas, infecciones, tumores, anomalías metabólicas, etc.) o una lesión de cabeza cerrada como en el caso del síndrome del bebé maltratado o una aceleración o desaceleración rápida de la cabeza. Cuando la lesión es el resultado de un traumatismo, el daño cerebral se puede producir en el momento del impacto o se puede desarrollar posteriormente debido a la inflamación (edema cerebral) y el sangrado dentro del cerebro (hemorragia intracerebral) o el sangrado alrededor del cerebro (hemorragia epidural o subdural). Cuando la cabeza se golpea con suficiente fuerza, el cerebro gira y se retuerce sobre su eje (el tallo encefálico), interrumpiendo las vías nerviosas normales y provocando la pérdida de la conciencia. Si esta inconsciencia persiste por un tiempo prolongado, se considera que la persona lesionada está en coma, condición causada por la interrupción de las fibras nerviosas que van desde el tallo encefálico hasta la corteza cerebral. Las lesiones de cabeza cerrada se producen a menudo sin dejar signos externos obvios, pero la diferencia entre las lesiones cerradas y las penetrantes puede ser profunda. En una herida de bala en la cabeza, por ejemplo, aunque se puede destruir gran parte del cerebro el resultado puede ser menor si el área lesionada no era crítica. En contraste, las lesiones de cabeza cerrada generalmente producen daños más extensos y deficiencias neurológicas más amplias, incluso parálisis parciales a completas, disfunción cognitiva, conductual y de memoria, estado vegetativo persistente y fallecimiento.
El tejido cerebral dañado se puede recuperar durante un período breve. Pero una vez que el tejido cerebral está muerto o destruido, no hay ninguna evidencia de que se puedan desarrollar nuevas células cerebrales. El proceso de recuperación usualmente continúa aunque no se desarrollen nuevas células, quizás porque otras partes del cerebro asumen la función del tejido destruido.