Стенка артерии состоит из нескольких слоев. Выстилка или внутренний слой (эндотелий), как правило, гладкий и непрерывный. Атеросклероз начинается при повреждении или заболевании внутреннего слоя. Тогда некоторые лейкоциты, называемые моноцитами и Т-клетками, активируются и мигрируют из крови через эндотелий артерии в стенку артерии. Под слоем эндотелия они превращаются в пенистые клетки, которые накапливают жиры, в основном холестерин.

Со временем гладкомышечные клетки перемещаются из среднего во внутренний слой стенки артерии и там размножаются. Здесь также накапливаются фиброзные и эластичные волокна, а также обломки клеток, кристаллы холестерина и кальция. Это накопление нагруженных жиром клеток, гладкомышечных клеток и других материалов образует пятнистые депозиты, так называемые атеромы или атеросклеротические бляшки. По мере роста некоторые бляшки утолщают стенки артерии и выпячиваются в просвет артерии. Эти бляшки могут сузить или блокировать артерию, снижая или прекращая кровоток. Другие бляшки не блокируют в значительной степени просвет артерии, но могут разрываться или растрескиваться, что приводит к образованию сгустка крови, который может вызвать внезапную закупорку сосуда.