Vogt-小柳原田綜合癥的病理改變特征是彌漫性的中、小血管炎性改變為主，引起一系列的腦膜、腦實質及腦脊神經根的損害，而血管損害又以彌漫性小血管損害為主。可見軟腦膜、蛛網膜、腦實質、腦神經及蛛網膜下隙小血管周圍有單核細胞浸潤，還可見到局部腦組織水腫、缺血性改變及膠質細胞增生等。
本病典型的病理改變是脈絡膜組織學所見：病變是由淋巴細胞、漿細胞包繞上皮樣細胞和多核巨細胞而形成的結節性肉芽腫病變，中心無壞死灶。上皮樣細胞是具有清楚細胞質的大型細胞，內含較多的細胞器、溶酶體和吞噬體。在吞噬體內可見有黑色素顆粒。可見有向脈絡膜面內突出的達-富（Delen-Fuchs）結節，該種結節是由變性的視網膜色素上皮細胞和上皮樣細胞組成的。虹膜睫狀體的病理改變在本質上與脈絡膜改變相同，系由上皮樣細胞、淋巴細胞和漿細胞等構成的病灶，有時可見有淋巴細胞的有絲分裂征象，但在虹膜內上皮樣細胞形成不及脈絡膜內明顯。
角膜環上皮黑色素細胞及黑色素顆粒減少，而郎漢細胞增多。正常郎漢細胞僅見于淺層，而本病在基底層也能看到。
皮膚的病理改變與角膜環上皮改變相同，即黑色素細胞及黑色素顆粒減少，郎漢細胞增加，這種細胞也見于基底層。在表皮內可見有少量的淋巴細胞及輕度炎性細胞浸潤。真皮內一般無黑色素細胞，但在臀部“蒙古斑”所在處可以見到被認為是由母斑衍生而來的黑色素細胞，并有黑色素細胞同淋巴細胞連接融合現象，這與色素膜中所見完全相同。真皮內細胞浸潤很輕，無上皮樣細胞形成，偶爾也可見有淋巴細胞浸潤伴有上皮樣細胞。真皮內除有郎漢細胞外，尚有與桿狀顆粒細胞完全相同的細胞，該種細胞具有活躍的游走性和吞噬功能。
根據觀察到的黑色素細胞特征，可將其分為淺表型和深部型。色素膜、腦膜、內耳和真皮內的黑色素細胞屬于深部型，而角膜環上皮、表皮內的黑色素細胞屬于淺表型。兩型黑色素細胞的特征有明顯差異，即深部型黑色素細胞失去合成黑色素的功能，在電鏡下可見此型細胞的細胞壁薄，基底膜不完整；相反，淺表型黑色素細胞具有活躍的黑色素合成功能，細胞膜無深部型基底膜特征。