В гистопатологическом отношении облитерирующий артериосклероз нижних конечностей идентичен атеросклерозу, поражающему аорту и ее ветки, включая коронарные, висцеральные, шейные и церебральные артерии. Основным поражением является атеросклеротическая бляшка, вызывающая локализованный стеноз просвета артерии, как с наличием участков полной артериальной окклюзии, так и без таковых.

Отложение тромба и последующий прогрессирующий фиброз представлены в виде эксцентрических слоев. Для поздних стадий атеросклеротического процесса характерны фрагментация внутренней эластической мембраны, а также наличие зон кровоизлияний внутри бляшки и ее кальцинации.

Сегментарные поражения обычно вызывают стеноз или окклюзию больших артерий и артерий среднего размера. В порядке частоты развития атеросклеротического поражения идут грудной и брюшной отделы аорты, коронарные артерии, подвздошные и бедренные артерии, сонные, почечные, мезентериальные, вертебробазилярные, больше- и малоберцовые, подключичные, плечевые, лучевые и локтевые артерии. Даже в самых запущенных случаях меньшего размера артерии пальцев обычно не поражены, однако может возникать их обструкция тромбом, если имеется атеросклеротическое поражение проксимального отдела артерии.

Пациенты с перемежающейся хромотой могут иметь атеросклеротическое поражение на различных артериальных уровнях. В когорте симптомных пациентов примерно у 80% имеется поражение бедренных и подколенных артерий, у 30% — на уровне аорты и подвздошных артерий и до 40% — на уровне больше- и малоберцовых артерий. Вовлечение в процесс дистальных артерий чаще всего встречается у лиц с диабетом и пожилых пациентов.