腰椎間盤突出導致神經根壓迫而引起背部及坐骨神經痛，其病理生理學基礎至今尚未明了。正常情況下，外周神經的急性壓迫不能導致疼痛，而僅僅是麻木、麻痹、肌力減低及相關症狀與體征。有關研究發現，在腕管綜合征中，位於胸管內的正中神經受壓，導致缺血，僅產生麻木而非因受壓神經節段的神經纖維的機械性變形所致。正常脊神經根的機械性變形可導致相同的感覺與運動障礙而無疼痛。有關人脊神經根受壓的反應實驗發現，在椎板減壓後，於神經根周圍放置氣囊，術後予以膨脹，在正常人其表現的為神經根機械性變形後的麻木與麻痹。在腰椎間盤突出症壓迫神經根時，即使極小的機械性壓迫變形也可產生坐骨神經痛。有人指出：在硬膜外麻醉下的椎板切除、椎間盤切除術時，神經根對機械性多脈衝刺激仍非常敏感。在術中發現，雖然腰椎的其他組織均已被麻醉，但當刺激神經根，細小的收縮仍可引起放射性下肢疼痛。因此，機械性神經根的變形仍是造成坐骨神經痛的原因之一。
（2）神經根牽張性壓迫：神經根組織對機械性的壓迫，如椎間盤突出等的反應有著十分複雜的病理基礎，其中包括機械性的因素，也可能有一定的生物力學等因素。神經根的功能改變可表現為兩種不同的形式：①神經的功能降低，可有感覺障礙及肌力降低、反射減弱等。②神經根組織過敏：即神經根組織容易被進一步的一般性的機械性的脈衝刺激所激動，從而神經根可產生異位的脈衝，這可能與疼痛有關。此兩種功能性的改變可同時發生，經用電生理儀器測定證實，損傷的神經根處可見有神經纖維衝動傳導的障礙，兼／或在神經根的損傷部位其傳導速度減慢，在神經根損傷部位仍可繼續對機械性刺激產生高度敏感性。臨床上，神經功能的減低可通過肌電圖對異常的或損傷的感覺神經纖維進行分析，然而這些神經生理觀察的現象與病人的神經根疼痛之間無必然的聯係。神經生理現象僅提供有關神經根受累的情況及一定的量化的資料，而尚無實驗性資料證明，椎間盤突出壓迫所致的神經根損傷的神經傳導障礙與其過敏相關。
其他因素有：①侵及纖維環表層及後縱韌帶：後縱韌帶及纖維環表層受竇椎神經的返支供應。當突出物刺激這些結構時，可出現腰骶部及臀部疼痛；當突出物偏後中央時主要表現為腰痛，突出物居中間者，常表現為腰、臀部痛。居後外側者因常同時侵及神經根，故表現為腰腿痛及腿痛，是臨床上最常見的病理類型。②侵及硬膜囊及馬尾神經：腹側硬膜囊與後縱韌帶間空隙較少，故後中央型的突出常同時侵及硬膜囊以及其內的馬尾神經，硬膜囊前壁同樣受竇椎神經前支支配，因而可引起反應性腰痛，如突出較大侵及馬尾神經時，則會產生相應區域的感覺障礙以及運動功能喪失。③硬膜靜脈叢及脂肪：突出的椎間盤組織可壓迫椎管內靜脈叢使靜脈瘀滯，回流受阻。硬膜外脂肪因受壓而減少或消失，或因缺血、缺氧及滲出液刺激而產生炎症反應，有時可見神經根周圍水腫或粘連。以致有人認為無菌性炎症是腰椎間盤突出症的主要變化，無菌性炎症是腰椎間盤突出症產生疼痛的主要原因。
在腰椎硬膜的腹側，可因與椎間盤粘連而致腰腿痛，有人發現有16%腰3、4節段的明顯的粘連而致神經根破壞，腰4、5有46％，腰5骶1有36％。在其節段硬膜囊組織節段可有粘連，腰4、5粘連更為牢固。顯微技術示神經血管周圍的瘢痕包裹，椎間神經分支粘連可發生在硬膜及後縱韌帶。當椎間盤突出時，則可能增加被動的不適感。
4.腰椎間盤突出症神經症狀機製
有關腰椎間盤突出症腰腿痛產生的機製主要有3種學說。
（1）機械受壓學說：很多學者認為機械壓迫神經根是引起腰背痛、坐骨神經痛的主要原因，亦有人認為受累神經被過度牽伸所致，而單純的神經壓迫實屬罕見。牽伸的神經常呈緊張狀態，若未及時消除，將發生神經炎症和水腫，導致神經內張力增高，神經功能障礙逐漸加劇。
脊神經有豐富的神經外膜，包繞在神經束外。神經外膜由彈性膠原結構和脂肪組織組成，因而具有彈性緩衝作用，使神經不易受到機械性損傷。在神經外膜的裏層，尚有一層神經束膜，此膜有化學屏障功能，能防禦外來的化學刺激，從而使神經免受化學性損傷，但神經根的神經外膜組織極不發達，故無彈性緩衝作用和化學屏障功能，容易導致機械性和化學性損傷。因此在椎間盤突出中神經根損傷極為常見。
（2）化學性神經根炎學說：神經根機械受壓對引起疼痛雖起重要作用，但並不能完全解釋椎間盤源性疼痛和體征。正常神經受壓時並無疼痛發生，隻有炎症神經受壓時才引起疼痛。手術證實，椎間盤突出附近的神經根常有充血、水腫、炎症變化。這種炎性神經對疼痛異常敏感，術中稍一觸及神經即可引起病人嚴重疼痛。造成神經根炎的原因主要是椎間盤變性，纖維環薄弱、破裂後，液狀的髓核液從破口溢出，沿椎間盤和神經根之間的通道擴散。髓核液裏的糖蛋白和β-蛋白質對神經根有強烈的化學刺激性，同時大量“H”物質（組胺）的釋放、神經根又無神經束膜化學屏障，因而產生化學性神經根炎。炎症時，多種化學媒質能誘使血管對蛋白質的通透性增高，組胺大量釋出。在神經外膜和內膜處，以及神經束膜處有大量載有組胺的肥大細胞出現，易致神經根和竇椎神經中滲出大量炎性白蛋白。此改變增加了神經內壓力，引起局部缺血和電解質紊亂，因而刺激神經根和竇椎神經，引起此神經支配區的疼痛。
（3）自家免疫學說：近幾年來，專家們通過大量的動物試驗和臨床研究，提出了椎間盤自家免疫病的設想。椎間盤髓核組織是體內最大的、無血管的封閉結構組織，與周圍循環毫無接觸，其營養主要來自軟骨盤的彌散作用，故人體髓核組織被排除在機體免疫機製之外。當椎間盤損傷或病損後，髓核突破纖維環或後縱韌帶的包圍，在修複過程中新生血管長入髓核組織，髓核與機體免疫機製發生密切接觸，髓核基質裏的糖蛋白和β-蛋白質便成為抗原，機體在這種持續的抗原刺激後，免疫反應因此而產生。由於免疫反應，一個節段的椎間盤突出還可引起其他節段的椎間盤變性和疼痛。通過對腰椎間盤手術的病人進行了有關免疫學的研究，發現腰椎間盤突出症存在著體液免疫反應的異常，而其中IgG、IgM可能是椎間盤組織抗體，與椎間盤退行性變有關。而IgA、IgD、IgE與椎間盤退行性變無關。補體係統可能參與抗椎間盤組織的自身免疫反應，對慢性腰腿痛病人，在排除了其他自身免疫性疾病及肝、腎、造血係統等疾病時，可試用IgG、IgM等免疫蛋白檢測協助診斷，尤其是破裂型或遊離型腰椎間盤突出症的病人。實驗還發現，腰椎間盤突出症還存在細胞免疫反應的異常。
（五）繼發病理改變
1.後關節腰椎間盤突出及退行性變椎間隙變窄，使椎間關節所受應力改變，一方麵椎間纖維環鬆弛，椎體間有較大的滑動度，致使上位椎骨的下關節突對下位椎體的上關節突壓力及摩擦力增加。另一方麵因椎體下沉，相鄰兩小關節突的重疊加大，側位X線片可見下位椎體的上關節突上升超過了上位椎體下線向後的延長線，致椎間孔狹小，或神經根管狹窄，壓迫神經根產生頗似椎間盤突出的臨床征象。當此種病變發生在腰5骶1椎間盤時，因關節突呈額狀排列向後傾斜，可使上位椎體沿關節斜麵後滑，產生退行性變椎體後滑脫。在化學髓核溶解術後，椎間盤間隙狹窄，造成長期的椎間盤高度降低，並刺激相鄰小關節突發生骨關節炎。
當小關節骨軟骨麵嚴重損傷退行性變時，亦產生關節緣的增生，大的骨贅可與下一椎體的椎板形成假關節，幹擾椎骨間的活動，上關節突增生還可使椎間孔進一步狹窄，增加神經根受壓機會。
在後關節發生的改變同一般骨關節炎基本相同，最早的改變是滑膜炎，主要發生在關節軟骨麵之間，關節軟骨逐漸發生輕度的退行性變，並進一步加重。有時關節軟骨間相互發生粘連，再進展時，關節囊變得鬆弛，導致關節突半脫位，持續的退行性變，可造成關節突周圍骨贅形成，最終結果是關節軟骨完全脫落，並且關節突周圍明顯的纖維化，導致節段穩定，減少運動。