再生障礙性貧血的骨髓病變主要是造血組織減少, 紅骨髓總容量減少, 代以脂肪組織。 正常成人骨髓造血組織與脂肪組織比例約為1∶1, 再障時多在2∶3以上。 造血灶中造血細胞(指粒、紅和巨核細胞系統)減少, 而“非造血細胞”(指淋巴、漿、組織嗜堿和網狀細胞)增多。
骨髓中有血漿滲出、出血、淋巴細胞增生、局灶性纖維化及間質病變。 急性再障骨髓病變發展迅速而廣泛;慢性再障則呈漸進性"向心性萎縮", 先累及髂骨, 然後是脊突與胸骨。 慢性再障尚存在代償性增生灶, 後者主要是幼紅細胞增生伴成熟障礙。
紅系細胞不僅數量減少, 還有質的缺陷。 超微結構觀察發現成熟紅細胞有異型, 花瓣樣外形;幼紅細胞漿內有髓樣變, 核漿發育不平衡, 核膜孔擴大等改變。 紅細胞內抗堿血紅蛋白和游離原卟啉增多。 丙酮酸激酶等紅細胞酶活力降低。 以上都說明紅細胞有質的異常。 鐵動力學檢查示血漿鐵增高、鐵粒幼細胞和組織鐵增多、血漿鐵清除延遲和紅細胞攝取鐵明顯降低, 提示紅細胞生成率減低。 部分患者尚有無效性紅細胞生成或骨髓內原位溶血。