核黄疸是本病的主要并发症，早在1904年，Schmorl对1例因重症黄疸而死亡的新生儿进行尸解就发现其脑基底核被黄染，并首次命名为核黄疸。此种黄染物质经分析确定为未结合胆红素。它能导致神经细胞的中毒性病变，故又称胆红素脑病。
胆红素脑病最明显处是脑基底核，呈鲜亮黄色或深黄色；其他部位如海马沟、视丘、视丘下核、苍白球、壳核、顶核、尾状核、脑室核、小脑小叶和脊髓前角等均呈淡黄色；小脑、延脑、大脑半球的白质和灰质也可受影响，但更轻淡些。
基底核神经细胞在新生儿期在生理及生化代谢方面最活跃。耗氧量及能量均需要最大。故基底核最易受损。胆红素进入脑细胞后可能使脑细胞的线粒体氧化的偶联作用脱节，因此脑细胞的能量产生受到抑制，使脑细胞损害。
一、新生儿胆红素脑病
与血-脑屏障的成熟度完整的血-脑屏障具有栅栏作用，可限制某些物质(如胆红素等)进入中枢神经系统，所以对脑组织有保护作用。但当缺氧、感染、低血糖及酸中毒等的影响，其通透性有所改变，屏障作用就受到破坏，即所谓血-脑屏障开放。此时不仅游离胆红素可进入脑组织，而且与白蛋白联结的未结合胆红素也可进入。某些药物可影响血-脑屏障，尤当新生儿期血-脑屏障不够成熟，胎龄不足的早产儿更是如此。生后头几天新生儿血-脑屏障的通透性较大，胆红素易于透过，因此可认为新生儿血-脑屏障未成熟而易于发生核黄疸。
二、游离胆红素梯度
未结合胆红素(UCB)系脂溶性，它与富有脑磷脂的神经细胞有亲和力。当UCB与白蛋白联结成为复合物后，因分子量大，一般情况下不能通过血-脑屏障。但不与白蛋白联结的UCB可通过，进入中枢神经细胞引起胆红素脑病。凡能使血清游离胆红素浓度增高的因素，如：1、UCB浓度过高；2、白蛋白含量过低；3、存在竞争夺取白蛋白上联结点的物质均可导致胆红素脑病。血与脑游离胆红素梯度愈高，则其进入脑的量愈多，胆红素脑病的发生率也愈高。