1）“關節軟骨完整性破壞”：當人體逐步老化或創傷或疾病時，關節軟骨中Ⅱ型膠原纖維出現退化，隨後逐漸出現斷裂而變短，致使關節軟骨失去了彈性。接著便進一步發生裂縫，大疱，糜爛與潰瘍，從而使軟骨表面呈毛刷狀，粗糙不堪。不光滑的軟骨面相互摩擦，便加劇軟骨的磨損，膝關節於是關節軟骨便遭到完整性的破壞。
2）軟骨下骨板的病變：隨著疾病的發展，因軟骨脫落使軟骨下骨板裸露，並可在軟骨骨板下出現大小不等的囊性變，這些囊性變會穿破骨板伸向關節腔內，使關節軟骨面進一步殘缺不全，此時病變已從軟骨擴展至整個骨組織，表明疾病已經惡化。
3）關節邊緣的骨質增生的：病變由軟骨及骨組織開始，逐漸漸影響到滑膜與韌帶甚至關節囊等關節的各部份。軟骨破壞伴隨有修復與增生，故滑膜與韌帶的病變會使它們在附著點發生骨質增生，附著與增生的位置都在關節的邊緣，在X線片上可看到關節邊緣有唇狀骨質增生。但是數十年的關節活動使關節囊與韌帶不斷的受到牽拉，也可以出現有骨性附著點的骨質增生，故不能僅以“骨質增生”便診斷為骨關節炎。而骨關節炎必須有其他的症狀和體征。
