मस्तिष्क आवरण में तीन झिल्लियां शामिल होती हैं जो मस्तिष्क मेरु-द्रव्य के साथ मिल कर मस्तिष्क और रीढ़ की हड्डी (केन्द्रीय तंत्रिका तंत्र) को घेरता व सुरक्षित करता है। मृदु तानिका (पाया मेटर) एक बहुत नाजुक अभेद्य झिल्ली होती है जो सभी छोटे कॉन्ट्यूर्स के साथ मस्तिष्क की सतह पर दृढ़ता के साथ लगी होती है। अर्कनॉएड मेटर (अपने जाल जैसे दिखने के कारण इस नाम से पुकारा जाता है) एक ढ़ीली-ढ़ाली फिटिंग सैक होती है तो मृदु तानिका के ऊपर होती है। सबअर्कनॉएड स्पेस, अर्कनॉएड और पाया मेटर झिल्ली को पृथक करती है और मस्तिष्क मेरु द्रव्य से भरी होती है। सबसे बाहरी झिल्ली ड्यूरा मेटर, एक मोटी टिकाऊ झिल्ली होती है जो अर्कनॉएड झिल्ली और खोपड़ी दोनो से जुड़ी होती है।

बैक्टीरिया जनित मस्तिष्क ज्वर में, बैक्टीरिया दो मुख्य मार्गों से मस्तिष्क आवरण तक पहुंचता है: रक्त प्रवाह द्वारा या मस्तिष्क आवरण के साथ नेसल कैविटी या त्वचा के सीधे संपर्क द्वारा। अधिकतर मामलों में मस्तिष्क ज्वर रक्त प्रवाह के माध्यम से नेसल कैविटी जैसी श्लेष्म सतहों पर जीवित रहने वाले जीवों के माध्यम से आक्रमण करता है। यह अक्सर वायरस द्वारा होने वाले संक्रमणों के बाद होता है जो श्लेष्म सतह द्वारा प्रदान किये जाने वाली बाधा को तोड़ देता है। एक बार जब बैक्टीरिया रक्त प्रवाह में शामिल हो जाते हैं, सबअर्कनॉएड स्पेस में उन स्थानों में दाखिल हो जाते हैं जहां रक्त–मस्तिष्क बाधा कमजोर होती है—जैसे कोरॉएड प्लेक्सेस। मस्तिष्क ज्वर 25% नवजातों में ग्रुप बी स्टेप्टोकॉकि के कारण रक्त प्रवाह संक्रमणों से होता है; यह रूप वयस्कों में कम आम है। मस्तिष्क मेरु द्रव्य का प्रत्यक्ष संदूषण, निबाह करने वाली युक्तियों, खोपड़ी के फ्रैक्चर या नैसोफैरीनक्स के संक्रमण या उस नेसल साइनस से जो सबअर्कनॉएड स्पेस (ऊपर देखिये) के साथ मार्ग का निर्माण करती है, से उभर सकता है; कभी कभार, ड्यूरा मेटर के जन्मजात दोषों को भी देखा जा सकता है।

मस्तिष्क ज्वर के दौरान बड़े स्तर पर सबअर्कनॉएड स्पेस में होने वाली सूजन बैक्टीरिया संक्रमण का प्रत्यक्ष परिणाम नहीं होता है बल्कि इसे बैक्टीरिया के केन्द्रीय तंत्रिका तंत्र में प्रवेश के कारण प्रतिरक्षा तंत्र की प्रतिक्रिया का परिणाम होता है। जब बैक्टीरिया संक्रमित कोशिका झिल्ली के घटक मस्तिष्क की प्रतिरोधक कोशिकाओं (ऐस्ट्रोकाइट और माइक्रॉग्लिया) द्वारा पहचाने जाते हैं तो वे हार्मोन जैसे मध्यस्थ साइटोकाइन की बड़ी मात्रा मुक्त करके प्रतिक्रिया करते हैं जो अन्य प्रतिरक्षा कोशिकाओं को नियुक्त करते हैं और दूसरे ऊतकों को प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया में भाग लेने के लिये उकसाते हैं। रक्त-मस्तिष्क बाधा पारगम्य हो जाती है, जिसके कारण "वैसोजेनिक" सेरेब्रेल एडीमा (रक्त केशिकाओं से द्रव्य रिसाव के कारण मस्तिष्क की सूजन) हो जाता है। श्वेत रक्त कणिकाओं की बड़ी मात्रा CSF में प्रवेश कर जाती है, जिसके कारण मस्तिष्क आवरण में सूजन हो जाती है और जिससे "इंटरटिस्शल" एडीमा (कोशिकाओं को बीच द्रव्य के कारण सूजन) हो जाता है। इसके अतिरिक्त, रक्त केशिकाओं की दीवारें अपने आप सूज जाती है (सेरेब्रल वेस्क्युलिटिस), जिससे रक्त का प्रवाह कम हो जाता है और एक तीसरे तरह का एडीमा "साइटोटॉक्सिक" एडीमा हो जाता है। सेरेब्रल एडीमा के सभी तीन प्रकार एडीमा के कारण अंतःकपालीय दाब बढ़ जाता है; जिसके साथ गंभीर संक्रमण में घटे रक्तचाप से भी सामना होता है, जिसका अर्थ है कि रक्त के लिये मस्तिष्क में प्रवेश कठिन हो जाता है, परिणामस्वरूप मस्तिष्क कोशिकाओं को ऑक्सीजन की कमी हो जाती है और वे एपाटोसिस (स्वतः कोशिका मृत्यु) चरण में प्रवेश कर जाती हैं।
मान्यता यह है कि एंटीबायोटिक्स ऊपर बतायी गयी प्रक्रिया को, बैक्टीरिया संबंधित कोशिका झिल्ली उत्पादों की मात्रा को बढ़ा कर, शुरुआत में और खराब कर सकता है। विशिष्ट उपचार जैसे कि कॉर्टिकॉस्टरॉएड का उपयोग इस प्रकार की घटना के प्रति प्रतिरक्षा तंत्र की प्रतिक्रिया को निरुत्साहित करने पर लक्षित हैं।

बैक्टीरिया जनित
गैर-संक्रामक
कारण
क्रियातंत्र