דימום מוחי נגרם בשל קרע בכלי דם מוחי אשר גורם לפריצת דם ולפגיעה ברקמת המוח באזור הפגוע. 

בדימום מוחי מופיעים תסמינים נוירולוגים בהתאם לאזור המוח שניזוק מהדימום. בדימום מוחי גדול מופיעים תסמינים נוספים של עלייה בלחץ התוך-גולגולתי שנגרם בשל הדימום בהתאם לגודלו.

גורם הסיכון העיקרי לדימום מוחי הוא יתר לחץ דם שאינו מאובחן ומטופל. יתר לחץ דם פוגע במבנה הדופן הפנימית של כלי הדם באופן שמעלה את הסיכון להיצרות טרשתית (או לקרע שלו) ולכן מהווה גורם סיכון לדימום מוחי, לארוע מוחי חסימתי ולמחלת כלי דם מוחיים קטנים. 

גורם הסיכון שני בשכיחותו לדימום תוך-מוחי הוא אנגיופתיה של עמילואיד במוח. אנגיופתיה של עמילואיד במוח הינה גורם חשוב לדימום מוחי בגיל המבוגר. במחלה זו החלבון בטא-עמילואיד שוקע בדפנות כלי הדם הקטנים במוח ואינו מפונה כראוי, ועל כן כלי הדם "שביריריים", חלשים ובעלי נטייה להיקרע ולדמם. 

ישנן גם מומים מולדים (מלפורמציות) של כלי הדם המוחיים אשר עלולים לגרום לדימום מוחי. 

קברנומה מוחית (cavernous malformation) הינה צבר כלי דם בעל מבנה לא תקין הכוללת מקלעת של כלי דם מחילתיים בעלי דופן דקה. קברנומות יכולות לגרום לדימומים מוחיים ולתסמינים נוירולוגים כתלות במיקום. לעיתים בשל נוכחות תוצרי פירוק הדם המגרים את קליפת המוח, עלולים להיגרם פירכוסים (התקפים אפילפטים). במיקרים רבים קברנומות מוחיות אינן גורמות לסימפטומים ולעיתים אף מתגלות באקראי.  MRI מוח היא בדיקת ההדמייה הטובה ביותר על מנת להדגים קברנומה מוחית. בדיקה זו מאפשרת למקם בדיוק רב את הקברנומה במוח ולזהות את גודלה.

מלפורמציה מוחית עורקית-ורידית – AVM  היא מום וסקולארי בו יש חיבור ישיר (בודד או מרובה) בין עורקים לורידים (בניגוד למצב התקין של מעבר מעורקים לעורקיקים, לנימי דם ורק בהמשך ניקוז לורידים). מצב זה הוא פתולוגיה מולדת בדרך כלל. לאורך השנים מתפתחת זרימה חזקה בין העורקים והוורידים עם לחצי דם גבוהים. כתוצאה מכך יכול להתרחש דימום מוחי. כמו כו יכולים להיגרם פירכוסים (התקפים אפילפטיים), תסמינים נוירולוגים כתלות במקום וכאבי ראש.