动脉粥样硬化的病理变化主要分为以下几个阶段：

脂纹期是动脉粥样硬化的早期病变。在这一阶段，动脉内膜上可见黄色帽针头大的斑点或长短不一的条纹，平坦或微隆起于内膜表面。光镜下，病灶处内皮细胞下有大量泡沫细胞聚集。泡沫细胞来源于巨噬细胞和平滑肌细胞，当血液中的低密度脂蛋白（LDL）被氧化修饰后，巨噬细胞吞噬氧化LDL形成巨噬细胞源性泡沫细胞；而中膜的平滑肌细胞迁入内膜并吞噬脂质后则形成平滑肌源性泡沫细胞。脂纹最早可出现于儿童期，是一种可逆性变化，在病因消除后可完全消退。

纤维斑块期是脂纹进一步发展的结果。随着病变的进展，病灶处的脂质进一步增多，刺激周围的纤维组织增生，形成纤维帽。纤维帽由大量的胶原纤维、弹力纤维及蛋白聚糖等组成，覆盖在脂质之上，外观呈瓷白色，隆起于内膜表面。此时，斑块表层为大量的胶原纤维，可发生玻璃样变，深层可见不等量的泡沫细胞、脂质及炎细胞等。纤维斑块可逐渐增大，其大小和形状不一，可呈圆形、椭圆形或不规则形。

粥样斑块期又称粥瘤，是动脉粥样硬化的典型病变。随着病变的继续发展，纤维斑块深层的细胞发生坏死、崩解，与脂质混合形成粥样物质，使斑块的中央及深部形成黄白色、质软的粥样物质。光镜下，在玻璃样变的纤维帽深部，有大量粉红染的无定形物质，其中可见胆固醇结晶及钙化。底部和边缘可有肉芽组织增生，外周可见少量泡沫细胞和淋巴细胞浸润。中膜因斑块压迫、平滑肌细胞萎缩和弹力纤维破坏而变薄。粥样斑块形成后，可向管腔内突出，使管腔狭窄，影响局部组织的血液供应。

复合性病变是在纤维斑块和粥样斑块的基础上继发的病变。包括斑块内出血，这是由于斑块边缘或基底部的新生毛细血管破裂出血，或动脉腔内血液经斑块破裂口进入斑块内所致，可使斑块迅速增大，导致管腔急性狭窄甚至闭塞。斑块破裂，是由于斑块表面的纤维帽破裂，粥样物质自裂口逸入血流，遗留粥瘤性溃疡，排入血流的脂质和坏死物质可形成胆固醇栓子，引起栓塞。