主要病理变化为内膜随卵巢激素的变化而发生周期性出血。伴有周围纤维组织增生和粘连形成以致病变区出现紫褐色斑点或小泡，最后发展成为大小不等的紫蓝色实质性结节或包块。
1) 如卵巢子宫内膜异位症较多见为80%患者的病变累及一侧卵巢，双侧卵巢同时波及者占50%，早期卵巢表面及皮层中可见紫褐色斑点或小泡，随着病变的发展卵巢内的异位内膜反复出血而形成单个或多个囊肿、囊内含暗褐色粘糊状陈旧血，象巧克力液体，故称卵巢巧克力囊肿，这种囊肿如增大囊内压力就过高，囊壁出现小裂隙，并有少量血液渗漏。引起腹壁炎性反应和组织纤维化闭合，导致卵巢与周围组织粘连不活动。（这种情况往往会误当成盆腔炎来治疗。）
2) 宫骶韧带、直肠子宫陷窝、子宫后壁下段可有散在紫褐色出血点或颗粒状散在结节，病变发展使子宫后壁与直肠前壁粘连。严重者的异位内膜向直肠阴道隔发展凸出。引起排便性交疼痛。）
3) 腹膜早期病变，通过腹腔镜可见到无色素的早期子宫内膜异位腹膜病灶。如白色混浊腹膜灶、火焰状红色病灶、腺样息肉灶和卵巢粘连等。这些病灶发展成典型的色素灶约需6—24个月。
4) 宫颈很少累及。但输卵管是在管壁浆膜层见到紫褐色斑点或小结节，常与周围组织粘膜。（这种情况使很多患者甚至医生对此警觉性不高。)