脑栓塞主要是因为各种栓子随血流进入脑动脉，阻塞血管，导致局部脑组织缺血缺氧坏死而引发。比如，约2/3的脑栓塞发生在颈内动脉系统，特别是大脑中动脉。
栓子的来源分类
心源性栓子：
心房颤动相关：心房颤动时，心房收缩不协调，容易形成血栓，据统计，约有15% - 20%的脑栓塞是由心房颤动引起的栓子导致。心房颤动患者心房内血流缓慢，血液容易淤积形成血栓，当血栓脱落随血流进入脑动脉就会引发脑栓塞。心瓣膜病导致：风湿性心瓣膜病、感染性心内膜炎等心瓣膜病，会使心内膜受损，容易形成赘生物，这些赘生物脱落后成为栓子，随血液循环到达脑部血管，引起脑栓塞。例如风湿性心脏病患者，病变的瓣膜处易形成血栓，栓子脱落可造成脑栓塞。
非心源性栓子：
动脉粥样硬化斑块脱落：动脉粥样硬化患者，血管内壁形成的斑块可能会破裂，斑块中的物质脱落成为栓子，随着血流流向脑部血管。动脉粥样硬化好发于大血管的分叉处，如颈动脉分叉处等，此处的斑块更容易脱落形成栓子引发脑栓塞。脂肪栓子：长骨骨折时，骨髓中的脂肪滴进入破裂的静脉窦内，随血流进入肺动脉，再通过肺循环到体循环，若进入脑部血管就会导致脑栓塞。据临床统计，长骨骨折患者中约有一定比例可能发生脂肪栓子导致的脑栓塞。空气栓子：颈部手术、人工气胸、潜水员病（减压病）等情况下，空气进入血管形成空气栓子。比如潜水员从深海快速上升时，体内会形成气泡，气泡随血流到脑部血管就会引起脑栓塞。
来源不明的栓子：
有部分脑栓塞患者经过详细检查后，仍无法明确栓子的来源。这类情况约占脑栓塞的30%左右。可能是一些微小的栓子在检查过程中难以被发现，或者是栓子来源较为隐匿，需要进一步的医学研究来明确其具体成因。