本症的病理變化特點是異位的子宮內膜有受雌激素的影響, 發生反復週期性出血從而導致病灶周圍組織纖維化, 最後形成結節或包塊。 切開包塊及結節, 可見陳舊性出血及癱痕, 鏡檢可見子宮內膜腺體及間質在盆腔子宮內膜異位中, 卵巢是子宮內膜異位症最常見的位置。
如病變僅限於卵巢表層, 可見到大小不等的囊腫。 囊腫可以是單側, 也可以是雙側的, 最大的可大於10cm直徑, 在囊腫中含有褐色糊狀液體, 故也稱卵巢巧克力囊腫。 囊腫表面常有出血或破損, 以致整個囊腫與鄰近器官發生粘連,
由於子宮內膜週期性增生、剝脫、出血的"本性"難改, 因此, 在移位處仍每月反復出血, 越積越多, 相互粘連, 結為一硬塊, 形成"子宮內膜瘤"。 異位在卵巢的內膜, 週期性出血、積聚形成含巧克力樣液的腫物---醫學上叫"卵巢巧克力囊腫"。 這較大的巧克力囊腫被認為來源於卵泡或黃體囊腫的間變。 也可能是卵巢表面異位內膜向下生長的結果。