除胸鎖關節外，全身關節均有不同程度的病理變化，但主要病變在四肢管狀骨的關節軟骨及骺板，下肢較上肢為嚴重。病變呈對稱性，左右兩側關節同時受累，主要以軟骨的變性及壞死為特徵。
1、關節軟骨病變
最早的改變是軟骨基質的變性。基質由正常輕度嗜鹼性變為嗜酸性，呈深紅染。進而基質開始溶解、變稀薄淡染，以致顯現排列方向較一致的膠原纖維（原纖維顯現）。病變如進一步發展則液化溶解形成空泡或裂隙。隨著基質的變性，軟骨細胞發生空泡變性，嚴重時，胞漿變為蜂窩狀，胞核常被擠到一側。有時可見軟骨基質中水分增多，液化而淡染，其中游離的軟骨細胞由正常的圓形變為星芒狀，似粘液細胞，稱為軟骨粘液變性。變性嚴重時可發生壞死，軟骨細胞核固縮消失，最後只剩下細胞輪廓。
軟骨的壞死首先出現於關節軟骨的深層與骨質交界處，早期為灶性或片狀，以後相鄰病灶互相融合而形成明顯的壞死帶，有人認為這種帶狀壞死對本病有診斷意義。
在軟骨的壞死區邊緣或帶狀壞死的一側健存的軟骨細胞活躍增生，通過細胞直接分裂而形成大小不等的軟骨細胞團，一般呈圓形或橢圓形，由數個或數十個細胞構成。這些軟骨細胞體積較小，其間的軟骨基質也很少。關節軟骨壞死，其鄰近區軟骨細胞巢狀增生（切片中央部分），軟骨下骨板中央部分凹陷。
2、骺板軟骨及幹骺端病變
在未成年患者，骺板軟骨的病變較明顯。骺板軟骨可呈現與關節軟骨完全相同的變性和壞死。病變輕者，軟骨細胞柱變短，排列紊亂，病變重者軟骨組織可出現變性及壞死，以後出現不規則早期鈣化。骺板軟骨下小血管侵入變性和壞死的骺板內，並由破骨細胞溶解、吸收以及形成不規則新生骨組織，造成早期骨化。由於骨化過程紊亂，新生骨小梁不僅較為稀疏變短粗，而且新生骨小梁的方向由正常時的縱向排列變為橫向，這是最主要的改變，使骨的縱向生長受阻。橫行的骨小梁貼附於骺板軟骨表明骨的生長已停頓。
幹骺端的松質骨，由於骨小梁稀疏，骨髓腔明顯擴大，形成典型的骨質疏鬆。有時可見骨小梁的斷裂或破碎，甚至有小囊腔形成。
大骨節病的肉眼改變，早期在關節軟骨不明顯。病變較重時關節軟骨質地變脆，色暗，表面粗糙，有小溝紋，壞死軟骨作瓣狀脫落而形成大小不等的潰瘍。軟骨組織成片脫落時則形成關節內游離體。軟骨壞死周邊部分及骨骺側壁的軟骨、軟骨外膜及肌腱附著部的纖維軟骨以及關節軟骨周圍的滑膜及結締組織亦常增生，並漸漸骨化，結果在關節周圍形成許多骨贅；在關節運動的壓力作用下，骨贅成為盤狀或唇狀突起，致使關節腫大，形成大骨節病的外觀。增生的滑膜絨毛以及骨贅亦可脫落成為游離體，存在於關節腔內。
肱骨、橈骨及尺骨的關節面極不平滑，周邊有增生的骨贅骺板軟骨在早期也無明顯的肉眼觀改變，病變較重時肉眼上骺板厚薄不均，彎曲呈波浪狀，與同齡健康人相比，骺板較薄。