水中毒是由于细胞外液因水过多而被稀释，引起血浆渗透压、血钠浓度的迅速下降和循环血量增多。然后肾脏不能将过多的水分及时排出，水分就向渗透压相对高的细胞内转移而引起细胞水肿，结果是细胞内、外容量均增多而渗透压降低。由于细胞内液的容量大于细胞外液的容量，所以潴留的水大部分积聚在细胞内。

急性水中毒时，由于颅腔和椎管无弹性，脑神经细胞水肿和颅内压增高过快，故脑症状出现最早而且突出，可发生各种神经精神症状。