PTSD: n vaikutukset aivoihin näyttävät viittaavan siihen, että tämän häiriön oireille on biologinen perusta. Tutkijat uskovat, että äärimmäisen psyykkisen trauman kokemus voi aiheuttaa fyysisiä muutoksia aivoissa. Voi kuitenkin olla mahdollista, että aivojen rakenteen ja toiminnan luontaiset erot saavat jotkut ihmiset alttiiksi PTSD: lle. PTSD: n vaikutukset aivoihin tapahtuvat enimmäkseen amygdalassa, aivojen osassa, joka auttaa hallitsemaan tunteita. Hippampus, prefrontaalilohko ja prefrontaalinen kuori voivat vaurioitua traumaattisten kokemusten vuoksi, ja jotkut asiantuntijat uskovat, että PTSD: n vaikutukset aivoihin sisältävät muutoksia aivojen käytössä tietyissä välittäjäaineissa, kuten dopamiinissa, serotoniinissa ja noradrenaliinissa.
Yksi PTSD: n ensisijaisista vaikutuksista aivoihin löytyy amygdalasta. Prefrontaalisen kuoren ohella amygdala vastaa tyypillisesti tunteiden hallitsemisesta. Joissakin PTSD -potilaista amygdala kasvaa itse asiassa suuremmiksi, mikä voi osoittaa aivojen liiallista emotionaalista vastetta. Muutokset tavassa, jolla aivot käyttävät välittäjäaineita trauman jälkeen, voivat heikentää prefrontaalisen kuoren toimintaa, mikä yleensä auttaa myös hallitsemaan tunteita, erityisesti pelottavia. Asiantuntijat uskovat, että trauman jälkeiset muutokset prefrontaalisen kuoren toiminnassa voivat tapahtua lisääntyneen välittäjäaine dopamiinin määrän vuoksi, jota aivot tyypillisesti erittävät, kun tarvitaan suurta valppautta ja varovaisuutta.
Monet PTSD -potilaat kärsivät tunnottomuudesta oireiden alkamisen jälkeen. Asiantuntijat uskovat, että tämä voi johtua kivun lievittämisestä vastaavien välittäjäaineiden tasojen noususta. PTSD: n vaikutukset aivoihin voivat myös sisältää heikentyneen kyvyn käyttää välittäjäaine serotoniinia, joka yleensä vastaa hyvinvoinnin tunteista. Tämä voisi selittää, miksi masentuneet tunteet liittyvät usein PTSD: hen.
Myös hippokampus, joka yleensä vastaa muistien käsittelystä ja tallentamisesta, voi kärsiä muutoksista PTSD: n vaikutusten vuoksi aivoihin. Asiantuntijat ovat havainneet, että monilla ihmisillä, joilla on PTSD -oireita, on normaalia pienempi hippokampus. Erään teorian mukaan hippokampuksen koko voi todella pienentyä stressaavien tapahtumien aikana stressihormonin kortisolin aiheuttamien vahinkojen vuoksi. Toinen teoria toteaa, että joku, joka kehittää PTSD: tä, voi olla aluksi epätavallisen pieni hippokampus.
PTSD -potilailla on usein vaikeuksia kerätä ajatuksiaan ja ilmaista itseään. PTSD: n vaikutukset aivoihin voivat sisältää vaurioita prefrontaalilohkolle, aivojen alueelle, joka tyypillisesti säätelee puhetta ja itseilmaisua. Kohonnut noradrenaliinipitoisuus aivoissa voi selittää voimakkaiden, fyysisten hätkähdysreaktioiden esiintymisen PTSD -potilailla, koska tämä välittäjäaine tyypillisesti aiheuttaa ”taistele tai pakene” -reaktioita stressaavissa tilanteissa.