שינויים מבניים השינוי המבני הברור ביותר בזמן התקדמות המחלה הוא התכווצות המוח, תוך התרחבות החדרים. אחד מהתהליכים המרכזיים בהתקדמות המחלה היא היווצרות שכבות דחוסות (פלקים) של תרכובות חלבונים. שכבות אלו, הנקראות עמילואיד או פלקים סניליים, מופיעות סביב תאי העצב ומורכבות מהחלבון בטא עמילואיד. בשלבים הראשונים, הפלקים מתפתחים במקומות האחראיים לזיכרון ולחשיבה. עדיין לא ידוע אם הפלקים של העמילואיד גורמים בעצמם לאלצהיימר או שהם נוצרים כתגובה למחלה. קיימת סברה, לפיה פגיעה בחלבון העמילואיד המקדים (APP), בין אם בהשפעת מוטציה גנטית, הזדקנות או השפעה סביבתית, מביאה להיווצרות שכבות חריגות של עמילואיד במוח. טנגלים נוירופיברילריים (סבכים מפותלים של סיבי עצב) נוצרים בתוך תאי העצב. אלו מורכבים מחלבון מייצב בשם טאו (tau).  שינויים במעבירים הבין-עצביים (נוירוטרנסמיטרים) השינויים הבולטים במוליכים הבין-עצביים הם בעלי חשיבות משנית, ביחס לשינויים הפתולוגיים האחרים במוח. עם זאת, שינויים אלו מרכזיים בטיפול.  בטבלה שלהלן, ארבעה סוגים של מעבירים בין-עצביים נבחנים ביחס לשינויים כימיים וסימפטומים.  נוירוטרנסמיטר שינויים בעקבות אלצהיימר זיקה לסימפטומים אצטילכולין  (Acetylcholine)  רמה פחותה הידרדרות קוגניטיבית גלוטמאט (Glutamate)  העברה בין עצבית מוגברת אובדן זיכרון דופמין (Dopamine)  רמה פחותה פגיעה מוטורית סרוטונין  (Serotonin)  כמות קטנה יותר של קולטנים תנודות במצבי רוח אצטילכולין הנוירוטרנסמיטר של תאי העצב הכולינרגיים. אלו הראשונים להידרדר במחלת האלצהיימר. מייחסים את הירידה בפעילות האצטילכולין לאובדן תאים בגרעיני הבסיס של המוח. כמו כן, נמצא כי בקרב חולי אלצהיימר, קיימת ירידה בכמות האנזימים האחראיים לסינתזה ולפרוק של האצטילכולין.  גלוטמאט הגלוטמאט מפעיל קולטנים, (למשל NMDA, שהוא בעל חשיבות מרכזית בתהליכים פיזיולוגיים ופתולוגיים). במוח בריא, הגלוטמאט משתחרר בפרצים קצרים על מנת לעזור בזיכרון ובלמידה. במוח של חולה אלצהיימר, הגלוטמאט משתחרר ללא הפסקה, ומאפשר בכך את כניסתם של יונים של סידן (Ca2) להיכנס לתא. תהליך זה פוגע ביכולות הלמידה והזיכרון וגורם, בסופו של דבר, למות התא. אביקסה® - ®Ebixa (ממנטין®), תרופה חדשה לטיפול במחלת האלצהיימר, משפיעה על קולטן ה- 2,1NMDA. התרופה יכולה לחסום את השחרור הבלתי פוסק של הגלוטמאט, ובכך לחסום את כניסתם החופשית של יוני הסידן לתוך תאי המוח. בו זמנית, התרופה מאפשרת שחרור הגלוטמאט בכמות הנדרשת ללמידה ולזיכרון. סרוטונין מספר קולטני הסרוטונין במוח יורד במוח חולה, מה שיכול להביא לשינויים במצבי הרוח.  דופאמין דופאמין קשור בשליטה על השרירים. מחסור בדופאמין מביא לסימפטומים של קשיון שרירים, חולשה ורעד, כפי שמתרחש במחלת הפרקינסון.