1、腰椎间盘的退行性变
腰椎间盘的退行性变是腰椎间盘突出症的重要原因。人群中脊椎的退行性变是极不均衡的，一部分腰椎间盘退行性变是从青年时期就开始，这部分人中腰椎间盘突出症的发生率很高。一般认为腰椎间盘退行性变是由腰椎间盘动力学负荷引起。
Adams等对于尸体脊柱进行运动负荷试验，模拟缓慢走动发现髓核中静力学压力减少13——36％。椎间盘作为一个流体静力学“垫子”的能力取决于髓核中的含水量。髓核象一个密封的水力系统，容积增加时液体压力增加，而容积压力减少时液体压力下降。一个等于体重的压力在4h内可排出尸体椎间盘中10——15％的水分。核磁共振显示人在一天活动后腰椎间盘容积（含水量）减少20％。髓核水分丢失后压力减小，而椎间盘上的压力将转移到纤维环上。高度集中的压力可使纤维环结构破坏导致裂隙形成。
其它生物学研究表明正常人椎间盘弹性系数的分布是均匀的对称的，而退化椎间盘环纤维弹性系数在后侧部最低，临床上腰椎间盘突出常出现在后侧部，这可能与腰椎间盘突出发病机理有关。椎间盘内部力学取决于负荷史和应用的负荷，而后者对椎间盘退行性变产生影响。正常的或退化的椎间盘产生作用的确切机理。这种研究可能使用某种药物来治疗和防止腰椎间盘的退化。
2、腰椎间盘突出引起非菌性炎症及免疫反应。
腰椎间盘突出常继发非菌性炎性反应。突出的腰椎间盘物质作为一种生物化学或免疫刺激可引起患者产生临床症状。Mccarron将均匀的髓核样本注入犬硬膜外腔与生理盐水作对照可在显微镜下发现严重的炎症反应。Wliiburger在培养的突出的腰椎间盘样本碎片中发现前列腺素水平升高，Saal在腰椎间盘提取液中发现有相当高的磷酸脂酶A2活性。这种酶是在炎性部位细胞产生的前列腺素和白细胞介素的限速酶。可以推测这种酶一旦从椎间盘的限制中释放出来它们可以接触神经根，通过对神经细胞膜中的磷酸脂作用产生神经或通过酶产生的炎性介质继发引起炎症，作用于纤维环内或硬膜外腔的伤害性感受器产生临床症状。
进一步研究发现游离型突出的腰椎间盘比突出型腰椎间盘有更高的前列腺素水平，凸起型突出腰椎间盘中前列腺素水平含量最低。直腿抬高试验阳性比阴性突出腰椎间盘中前列腺素水平高。前列腺素是最强有力的自然出现炎性介质之一，它在细胞功能调节因素中是至关重要的。前列腺素调节了腰椎间盘突出产生的炎性作用，尤其是在直腿抬高产生的放散性症状中。而且完整的纤维环可对突出腰椎间盘产生的炎性刺激提供隔离保护作用。
手术切除腰椎间盘中血管内生，肉芽和纤维组织增生的证据已经建立，有资料表明髓核突入椎管通过正常的炎性反应出现修复过程。如果髓核中的内容物被认为是“外来的”，这可引起一个慢性的炎症反应。突出物形成的炎症和新血管形成可引起吞噬作用和吸收过程。
Doita对手术切除的突出椎间盘进行离体细胞培养和生物学检查发现，具有血管形成的肉芽组织内生出现在纤维软骨碎片边缘。抗白细胞介素——Ⅰ，细胞内粘附分子——Ⅰ，淋巴细胞相关功能抗原，基础成纤维细胞生长因子表达在浸润到突出椎间盘的单核细胞上，引起新血管形成和炎症。腰椎间盘是成年人中最大的无血管单位。突出腰椎间盘中的新生血管和炎性细胞的出现说明机化并不是突出腰椎间盘发展的一个主要过程，在痊愈阶段主要产生吸收过程。这可能是影响发现椎管内突出腰椎间盘自发消失或减少，以及未经手术治疗而症状减轻的一种解释。
研究表明腰椎间盘突出症患者体液免疫和细胞免疫状态均异常。张强等用放射免疫法测定腰椎间盘突出症患者和正常对照脑脊液和血清免疫球蛋白。结果发现随着腰椎间盘突出病理变化加重，患者脑脊液和血清免疫球蛋白亦逐渐增高。凸起型仅引起脑脊液免疫球蛋白的增高，破裂型和游离型可引起脑脊液和血清都明显升高。
其可能的机理
神经根遭受突出的椎间盘机械压迫和自身免疫反应性炎症改变，可导致血脑屏障的破坏，神经根内的毛细血管通透性增加，血浆蛋白可渗入脑脊液；椎间盘组织中Ⅰ、Ⅱ型胶原，糖蛋白是潜在的自身抗原，它可激发机体产生迟发超敏反应T淋巴细胞和细胞毒性T细胞介导的细胞免疫反应，导致椎间盘的早期退变，在T、B淋巴细胞和椎间盘抗原的不断作用下，进而产生免疫反应，表现为血球免疫球蛋白升高；神经根损害引起的脱髓鞘变性物质和椎间盘抗原物质进入脑脊液可刺激中枢神经系统免疫活性细胞产生免疫球蛋白。因此认为神经根免疫性炎症改变是引起坐骨神经痛的重要原因，手术治疗腰椎间盘突出不仅能解除神经根机械性压迫，而且还能中断由椎间盘组织引起的免疫反应。
3、腰椎间盘突出形成的机械性压迫
1934年Mixter和Barr指出腰椎间盘组织突出进入椎管压迫和刺激神经根引起坐骨神经痛。几十年来这一概念已广泛被人接受，并形成了腰椎间盘突出症的神经解剖学基础。当后侧方椎间盘突出可侵犯后根神经节。Smith发现直腿抬高时脊神经根可在椎间孔内移动2——5mm。如果对神经产生限制或牵涉，这种正常的运动可能受限。当神经试图拉长和偏离它的运动过程而伸展时将产生对神经根的刺激和炎症。随着对神经的缓慢压迫先出现静脉损伤，然后是毛细血管，最后是动脉损伤。机械压迫脊神经时引起躯体诱发电位出现敏感变化，而压迫时间与振幅减小和潜伏期延长有显著相关性。
Cohen等对人马尾进行解剖学研究发现，并经核磁共振证实，在马尾内神经根呈一个非常有序的、对称的层状排列。在L5S1水平马尾硬膜囊内最后边的神经成份是S5神经根，进一步向前是S4、S3、S2和S1。在L4——5这些成份被进一步推向后，L5神经根进入前侧方。任何情况下运动纤维成份在前中，较大的丰满的感觉成份在后侧方。二者总是相邻并形成一小的角度而定位。这一位置严格出现在后根神经节。对一个神经根或马尾不均匀出现在后根神经节。对一个神经根或马尾不均匀的压迫可引起一个或多个相邻神经根成份中感觉或运动成份不对称压迫。这增加了临床症状的复杂性，并可能导致患之间临床表现的差异，以及同一患者在不同时间临床症状的变化。总之目前研究认为突出腰椎间盘的机械压迫和来自突出腰椎间盘物质的化学刺激是引起坐骨神经痛的原因。