Di satu sisi, terjadinya metastasis otak berarti bahwa sel-sel tumor dari lesi primer telah menyebar dan dapat bermetastasis ke beberapa tempat di seluruh tubuh pada saat yang sama, dan pasien cenderung mengalami komplikasi tumor sistemik, termasuk gejala neurologis. Di sisi lain, tumor tumbuh secara ekspansif di dalam tengkorak. Proses pertumbuhan akan menekan jaringan otak dan menghalangi jalur sirkulasi cairan serebrospinal, sehingga menyebabkan gejala hipertensi intrakranial, seperti sakit kepala, mual dan muntah.
Jika tumor terus berkembang, jaringan otak akan tertekan dan bergeser, sehingga menimbulkan gejala seperti gangguan pergerakan anggota tubuh atau gangguan kesadaran, atau pada kasus yang parah, herniasi otak. Ada juga fakta bahwa pengobatan obat kurang efektif setelah terjadinya metastasis otak. Adanya sawar darah-otak di jaringan otak menyulitkan obat kemoterapi umum untuk masuk ke otak.