PCOS的主要組織學改變為多發性濾泡囊腫、包膜增厚纖維化。典型的病理表現為卵巢對稱性增大,多為正常的2-5倍,卵巢表面多隆起,凹凸不平,呈灰白色,質稍硬。切面可見卵巢白膜明顯增厚,一般為均勻性增厚,卵巢內有多個大小不等的囊腔,囊壁較薄,內含清亮液體。顯微鏡下可見白膜纖維化,白膜下有可見許多閉鎖卵泡和處于不同發育期的卵泡。卵泡膜內層細胞顯著增生,黃素化,一般無黃體,白體較多,無成熟卵泡生成及排卵跡象。
用免疫組化方法可鑒定出卵泡膜內層細胞可產生大量雄激素。包膜增厚程度與患者血清LH水平及男性化程度呈正相關。PCOS的另一個明顯特征是竇前卵泡和竇狀卵泡數目比正常卵巢多2-3倍。近期研究顯示,抗苗勒管激素(AMH)可引起患者卵泡數目增多。AMH是生長中的竇前或小的竇狀卵泡顆粒細胞的唯一分泌產物,可能對卵泡的成熟過程起抑制作用。