膝關節骨關節病的早期, 滑膜並無明顯改變。 關節滑膜和關節囊受脫落的軟骨碎片的刺激而充血、水腫、增生、肥厚、滑液增多, 產生繼發性滑膜炎。 滑膜可以吞噬包埋軟骨碎屑而使滑膜增生、變厚, 呈絨毛狀, 關節囊纖維化並攣縮。
有人提出滑膜炎性變化與軟骨損傷後引起的自身免疫反應有關。 表現為滑膜液內單核細胞、免疫球蛋白和補體增多, 滑膜可見充血和單核細胞浸潤。 滑膜表面皺劈和絨毛增多, 滑膜細胞的細胞質減少, 纖維增多, 基質減少, 代謝功能減弱。 滑膜下層彈力纖維和膠原纖維隨年齡而增多。
軟骨退變磨損、骨質硬化、囊變、骨贅形成, 關節肥大變形, 構成了骨關節炎的病理核心, 導致一系列與之相關的臨床症狀。 也是命名為骨關節炎的依據。 關節承重區的軟骨變軟, 表面乾燥, 失去光澤和平滑, 變得粗糙, 呈黃色, 彈性降低, 表面出現不規則的壓跡、麻點樣小窩和線形溝, 或纖維變, 軟骨逐漸變薄、碎裂, 出現垂直裂隙, 以致表面軟骨形成小碎塊, 脫落於關節腔內, 或在原處浮起, 軟骨碎裂剝脫後暴露出軟骨下骨質。