病變可累及腦白質、周圍神經、腎臟集合管、肝管、膽囊、視網膜節細胞及小腦、腦干。基底節的一些神經核，以腦白質和腎臟集合管受累最重。大腦外觀可有輕度萎縮，腦白質呈灰暗色，與灰質分界尚清，其余臟器肉眼無異常。光鏡下腦白質和周圍神經有脫髓鞘現象，并見大量吞噬細胞；石蠟切片可見過碘酸-席夫染色陽性物質；冰凍切片用堿性染料甲苯胺藍染色時，可見不顯紫藍色而呈棕紅色的異染物質，此物質為腦硫脂，MLD即由此得名。電鏡下異染物質主要沉積在少突膠質細胞、星形細胞、許旺細胞及腎臟集合管內皮細胞，呈人字型或蜂窩狀板層結構。