Penyakit otak disebabkan oleh lesi di otak yang mengakibatkan pasien mengalami defisit neurologis yang sesuai. Gangguan otak dapat dilihat sebagai penyakit serebrovaskular atau penyakit infeksi intrakranial. Penyakit serebrovaskular yang paling umum adalah pendarahan otak, infark otak, serangan iskemik transien, dan ensefalopati hipertensi atau kelainan pembuluh darah intrakranial. Penyakit intrakranial yang menular dapat dilihat pada ensefalitis, meningitis, dll. Penyakit otak juga dapat mencakup tumor intrakranial seperti tumor primer atau metastasis, serta cedera pada tengkorak, memar otak traumatis dan gegar otak. Gangguan otak langka lainnya termasuk gangguan ekstrapiramidal, seperti penyakit Parkinson, korea atau gangguan demielinasi, seperti multiple sclerosis, yang lebih sering terjadi dalam praktik klinis. Ada juga gangguan otak degeneratif, penyakit Alzheimer, atrofi sistem multipel, dan kelainan genetik pada sistem saraf, yang semuanya merupakan gangguan otak. Masing-masing penyakit otak ini memiliki gejala klinis dan karakteristiknya sendiri, dengan penyakit otak yang sangat rentan terhadap perubahan iskemik dan hipoksia, seperti ensefalopati toksik, keracunan makanan, keracunan obat, dan keracunan karbon monoksida.