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爲1∶1，再障時多在2∶3以上。造血竈中造血細胞(指粒、紅和巨核細胞系統)減少，而“非造血細胞”(指淋巴、漿、組織嗜鹼和網狀細胞)增多。
骨髓中有血漿滲出、出血、淋巴細胞增生、局竈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竈，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。紅細胞內抗鹼血紅蛋白和遊離原卟啉增多。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。
