膝關節骨質增生主要病變是關節軟骨的退行性病變。正常情況下，在關節骨的兩端，覆蓋著一層光滑富有彈性的軟骨，當關節運動時，軟骨對軟骨的摩擦系數比冰對冰還低，這樣就使關節的磨損減少到最低程度。軟骨細胞中含有大量水分，像是一塊海綿，加壓時變薄，壓力解除後又恢復到原有的厚度。負重時關節軟骨的彈性變形，能減少運動的沖擊和震蕩，這種軟骨的彈性對抵抗磨損是十分重要的。
但是隨著年齡的增長，由於關節軟骨、韌帶成年累月的磨損、變薄、變軟、彈性下降，在過度使用或損傷的情況下，造成合成軟骨成分的異常，如膠原和粘蛋白的異常。另外，軟骨雖然生長旺盛，但是很薄，其表面很容易發生破裂。關節邊緣的骨過度生長，形成可以看見和摸到的包塊(稱為骨贅)。由此導致骨質增生。骨贅引起關節面不平，干擾正常關節的功能，引起疼痛。
這樣就導致了關節端軟骨部分、關節囊、滑膜、肌腱等不同程度上失去了正常的功能和形態，改變了關節的結構。使得關節不能光滑的運動，導致各組織間反復摩擦。產生了各種膝關節骨質增生的臨床症狀。
