膝关节骨质增生主要病变是关节软骨的退行性病变。正常情况下，在关节骨的两端，覆盖着一层光滑富有弹性的软骨，当关节运动时，软骨对软骨的摩擦系数比冰对冰还低，这样就使关节的磨损减少到最低程度。软骨细胞中含有大量水分，像是一块海绵，加压时变薄，压力解除后又恢复到原有的厚度。负重时关节软骨的弹性变形，能减少运动的冲击和震荡，这种软骨的弹性对抵抗磨损是十分重要的。
但是随着年龄的增长，由于关节软骨、韧带成年累月的磨损、变薄、变软、弹性下降，在过度使用或损伤的情况下，造成合成软骨成分的异常，如胶原和粘蛋白的异常。另外，软骨虽然生长旺盛，但是很薄，其表面很容易发生破裂。关节边缘的骨过度生长，形成可以看见和摸到的包块(称为骨赘)。由此导致骨质增生。骨赘引起关节面不平，干扰正常关节的功能，引起疼痛。
这样就导致了关节端软骨部分、关节囊、滑膜、肌腱等不同程度上失去了正常的功能和形态，改变了关节的结构。使得关节不能光滑的运动，导致各组织间反复摩擦。产生了各种膝关节骨质增生的临床症状。
