Patofüsioloogia viitab muutustele organismi normaalsetes biokeemilistes, mehaanilistes ja füüsikalistes protsessides. Parkinsoni tõve patofüsioloogia viitab füüsilistele ja biokeemilistele muutustele ajus, mis omakorda põhjustavad nähtavaid ebanormaalseid mehaanilisi ja füüsilisi funktsioone kogu ülejäänud kehas. Selle näiteks on Parkinsoni tõvega seotud iseloomulikud värinad. Kuigi mõjutavad ja soodustavad tegurid võivad varajase algusega, juveniilse ja standardse Parkinsoni tõve puhul erineda, on Parkinsoni tõve patofüsioloogia valdavalt sama.
Sügaval ajus paikneb struktuuride kogum, mida tuntakse basaalganglionidena, mis tõlkes tähendab “keldristruktuurid” ja hõlmavad globus pallidum internust, putameni ja sabatuuma. Need struktuurid vastutavad osaliselt vabatahtliku liikumise kontrollimise eest. Basaalganglionide kõrval asub mustasaine, ajupiirkond, mis sisaldab närvirakke, mis toodavad keemilist dopamiini. Dopamiin on neurotransmitter, mis edastab sõnumeid või signaale närvirakkude vahel.
Striatum on hallid ja valged koeribad, mis asuvad sabatuumas ja putamenis ning on ühendatud mustandiga. Substantia nigras toodetud dopamiin kandub edasi mööda sidekudet ja vabaneb juttkehasse. See protsess on vajalik sujuvaks, kontrollitud, koordineeritud ja vabatahtlikuks lihaste liikumiseks.
Parkinsoni tõbi on dopamiini tootmise häire, mille tulemuseks on vähenenud ja ebaefektiivne neurotransmissioon ehk sõnumite edastamine ajurakkude vahel. See põhjustab närvirakkude ebakorrektset ja sobimatut tulekahju, mille tulemuseks on kontrollimatu, tahtmatu liikumine ja lihaste jäikus. Parkinsoni tõve patofüsioloogia algab substantia nigra dopamiini tootvate rakkude surma või kahjustusega.
Parkinsoni tõve patofüsioloogiat iseloomustab ka Lewy kehade esinemine ajus, eriti mustas aines. Lewy kehad on ajus leitud ebanormaalsed valgustruktuurid. Need on Parkinsoni tõve tunnuseks ja sisaldavad aminohappevalku a-sünukleiini. Normaalses olekus normaalsel tasemel on selle valgu ülesanne reguleerida dopamiini transporterite aktiivsust. Ebanormaalsel tasemel või muteerunud seisundis, näiteks Lewy kehades, soodustab see rakusurma ja talitlushäireid.
Nii Lewy kehad kui ka a-sünukleiin on Parkinsoni tõve patofüsioloogia jaoks olulised, kui see esineb alla 40-aastastel inimestel ja pärilike juhtudel. Parkinsoni tõve varajase algusega pärilike juhtumite puhul on tuvastatud kaks a-sünukleiini mutatsiooni. Parkinsoni tõve korral, mille sümptomid ilmnevad pärast 60. eluaastat, hõlmab patofüsioloogia ka rakusurma. Hinnanguliselt sureb iga kümnendi jooksul kuni 13 protsenti dopamiini tootvatest neuronitest. See tähendab, et vanusega seotud Parkinsoni tõve juhtumeid esineb rohkem, kui inimesed elavad kauem, sest 80. eluaastaks võib inimene olla kaotanud 80–90 protsenti dopamiini tootvatest rakkudest. Mitte igaüks ei kaota nii palju rakke ega arenda Parkinsoni tõbe.