Procesy te prowadzą do opóźnionej śmierci komórek nerwowych na drodze apoptozy.
Okres pomiędzy oboma fazami nazywany jest oknem terapeutycznym – jest to czas, w którym możliwe jest skuteczne wdrożenie działań neuroprotekcyjnych zapobiegających dalszemu uszkodzeniu mózgu lub je zmniejszających. W przypadku hipotermii leczniczej wynosi ono około 6 godzin od momentu niedotlenienia, co stanowi kluczowy przedział czasowy dla wdrożenia tej interwencji.
Wzorce uszkodzenia mózgu zależą od wieku ciążowego oraz ciężkości i czasu trwania niedotlenienia. U noworodków urodzonych w terminie najczęściej obserwuje się uszkodzenie jąder podstawy, wzgórza oraz okolic okołorolandowych kory mózgowej (tzw. wzorzec głęboki), natomiast u wcześniaków bardziej charakterystyczne są uszkodzenia istoty białej okołokomorowej.
Klasyfikacja ciężkości Powszechnie stosowana jest klasyfikacja kliniczna opracowana przez Harveya B. Sarnata i Margaret S. Sarnat w 1976 roku na podstawie pilotażowego badania 21 noworodków donoszonych z udokumentowaną ENN; wyróżnia trzy stopnie ciężkości encefalopatii w oparciu o obiektywne kryteria kliniczne i zapis EEG.