Οι επιδράσεις του PTSD στον εγκέφαλο φαίνεται να υποδηλώνουν ότι υπάρχει βιολογική βάση για τα συμπτώματα αυτής της διαταραχής. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι η εμπειρία ενός ακραίου ψυχολογικού τραύματος μπορεί να προκαλέσει σωματικές αλλαγές στον εγκέφαλο. Μπορεί, ωστόσο, οι εγγενείς διαφορές στη δομή και τη λειτουργία του εγκεφάλου να κάνουν μερικούς ανθρώπους ευάλωτους στο PTSD. Οι επιπτώσεις του PTSD στον εγκέφαλο εμφανίζονται κυρίως στην αμυγδαλή, ένα μέρος του εγκεφάλου που βοηθά στον έλεγχο των συναισθημάτων. Ο ιππόκαμπος, ο προμετωπιαίος λοβός και ο προμετωπιαίος φλοιός μπορεί να υποστούν βλάβη λόγω τραυματικών εμπειριών και ορισμένοι ειδικοί πιστεύουν ότι οι επιπτώσεις του PTSD στον εγκέφαλο περιλαμβάνουν αλλαγές στον τρόπο με τον οποίο ο εγκέφαλος χρησιμοποιεί ορισμένους νευροδιαβιβαστές, όπως η ντοπαμίνη, η σεροτονίνη και η νοραδρεναλίνη.
Μία από τις κύριες επιδράσεις του PTSD στον εγκέφαλο μπορεί να βρεθεί στην αμυγδαλή. Μαζί με τον προμετωπιαίο φλοιό, η αμυγδαλή είναι συνήθως υπεύθυνη για τον έλεγχο των συναισθημάτων. Σε ορισμένους πάσχοντες από PTSD, η αμυγδαλή στην πραγματικότητα μεγαλώνει, γεγονός που θα μπορούσε να υποδηλώνει υπερβολική συναισθηματική απόκριση στον εγκέφαλο. Αλλαγές στον τρόπο με τον οποίο ο εγκέφαλος χρησιμοποιεί τους νευροδιαβιβαστές μετά από τραύμα μπορεί να προκαλέσουν μειωμένη λειτουργία του προμετωπιαίου φλοιού, ο οποίος συνήθως βοηθά επίσης στον έλεγχο των συναισθημάτων, ιδιαίτερα εκείνων του φόβου. Οι ειδικοί πιστεύουν ότι μετατραυματικές αλλαγές στη λειτουργία του προμετωπιαίου φλοιού μπορεί να συμβούν λόγω των αυξημένων επιπέδων του νευροδιαβιβαστή ντοπαμίνη, την οποία ο εγκέφαλος συνήθως εκκρίνει όταν απαιτούνται υψηλά επίπεδα εγρήγορσης και προσοχής.
Πολλοί πάσχοντες από PTSD βιώνουν μια μουδιασμένη συναισθηματική κατάσταση μετά την εμφάνιση των συμπτωμάτων. Οι ειδικοί πιστεύουν ότι αυτό μπορεί να οφείλεται στα αυξημένα επίπεδα των νευροδιαβιβαστών που είναι υπεύθυνοι για την ανακούφιση του πόνου. Οι επιδράσεις του PTSD στον εγκέφαλο μπορεί επίσης να περιλαμβάνουν μειωμένη ικανότητα χρήσης του νευροδιαβιβαστή σεροτονίνη, ο οποίος είναι γενικά υπεύθυνος για τα συναισθήματα ευεξίας. Αυτό θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί τα καταθλιπτικά συναισθήματα συχνά συνοδεύουν το PTSD.
Ο ιππόκαμπος, ο οποίος είναι συνήθως υπεύθυνος για την επεξεργασία και την αποθήκευση των αναμνήσεων, μπορεί επίσης να υποστεί αλλαγές λόγω των επιπτώσεων του PTSD στον εγκέφαλο. Οι ειδικοί έχουν διαπιστώσει ότι πολλοί άνθρωποι με συμπτώματα PTSD έχουν μικρότερο από τον κανονικό ιππόκαμπο. Μια θεωρία δηλώνει ότι ο ιππόκαμπος θα μπορούσε στην πραγματικότητα να μειωθεί σε μέγεθος κατά τη διάρκεια αγχωτικών γεγονότων, λόγω βλάβης που προκαλείται από την ορμόνη του στρες, κορτιζόλη. Μια άλλη θεωρία αναφέρει ότι κάποιος που αναπτύσσει PTSD μπορεί να είχε αρχικά έναν ασυνήθιστα μικρό ιππόκαμπο.
Τα άτομα με PTSD συχνά αντιμετωπίζουν προβλήματα στη συλλογή των σκέψεών τους και στην έκφραση. Οι επιπτώσεις του PTSD στον εγκέφαλο μπορεί να περιλαμβάνουν βλάβη στον προμετωπιαίο λοβό, την περιοχή του εγκεφάλου που συνήθως ρυθμίζει την ομιλία και την αυτοέκφραση. Τα αυξημένα επίπεδα νοραδρεναλίνης στον εγκέφαλο μπορεί να εξηγήσουν την εμφάνιση έντονων, σωματικών αντιδράσεων ξαφνιάσματος σε άτομα που πάσχουν από PTSD, καθώς αυτός ο νευροδιαβιβαστής συνήθως προκαλεί αντιδράσεις «μάχης ή φυγής» σε στρεσογόνες καταστάσεις.