Patologisk er DLL preget av utviklingen av unormale proteinholdige (alfa-synuclein) cytoplasmatiske inklusjoner, kalt Lewy-legemer, i hele hjernen. Disse inneslutningene har lignende strukturelle funksjoner som "klassiske" Lewy-legemer sett subkortikalt ved Parkinsons sykdom. I tillegg er det et tap av dopamin-produserende nevroner (i substantia nigra) som ligner det man ser ved Parkinsons sykdom, og tap av acetylkolin-produserende nevroner lik den som ses ved Alzheimers sykdom. Cerebral atrofi (eller krymping) oppstår også når hjernebarken degenererer. Obduksjonsserier har avslørt at patologien ved DLL ofte forekommer sammen med patologien ved Alzheimers sykdom. Når Lewy-legeme inneslutninger er funnet i cortex forekommer de ofte sammen med Alzheimers-patologi som finnes primært i hippocampus, herunder: senil plakk (avsatt beta-amyloid protein) og granulovacuolar degenerasjon (kornete avsetninger inne i, og en klar sone rundt, hippocampus-nevroner). Fiberknuter (unormalt fosforylert tau-protein) er mindre vanlig ved DLL selv om de forekommer. Det er for øyeblikket ikke klart om DLL er en Alzheimers-variant eller en egen sykdom. , ,