Najznačajnije promjene se obično nalaze u hipokampusu, temporalnom korteksu i nucleus basalisu Meynert. Najvažniji mikroskopski nalaz su amiloidni plakovi i neurofibrilarni čvorovi. Ove lezije se nakupljaju u malim količinama tijekom normalnog starenja u mozgu, ali u Alzheimerovoj demenciji se nakupljaju u velikim količinama.
Amiloidni plakovi imaju centralnu jezgru koja sadržava Aβ amiloid, proteoglikane, apolipopotein E, α1 antikimotripsin i neke druge proteine.
Neurofibrilarni čvorovi građeni su od neurofilamenata koji se sastoje od hiperfosforiliranog tau proteina, a izgledaju kao zavojnica sparenih filamenata pod elektronskim mikroskopom. Tau protein je povezan s mikrotubularnim sustavom i vjerovatno okuplja i stabilizira mikrotubule koji povezuju stanične organele i omogućuju intracitoplazmatski prijenos tvari. Hiperfosforizirani tau protein više se ne može vezati za mikrotubule, nakuplja se u citoplazmi i stvara neurfibrilarne čvorove. Alzheimerova demencija je također povezana sa sniženom razinom acetilkolina, acetilkolinesteraze i nikotinskih receptora.
