脳感染症はウイルス，細菌，真菌のほか，ときに原虫や寄生虫によっても引き起こされる。
脳炎の原因で最も頻度が高いのはウイルスであり，具体的には単純ヘルペスウイルス，帯状疱疹ウイルス，サイトメガロウイルス，またはウエストナイルウイルスなどがある。
JCウイルスによる進行性多巣性白質脳症や麻疹ウイルスによる亜急性硬化性全脳炎など，ウイルス感染症も脳を侵すが，それらは長い潜伏期間と長期の経過を特徴とする。
SARS-CoV-2の感染は脳症に至る可能性があるが，その原因として考えられるウイルスの脳への直接侵入，ウイルスが引き起こす脳卒中または脳出血，あるいは低酸素症や電解質異常，肝/腎機能障害などによる二次的な脳損傷がそれぞれどの程度関与しているかは明らかでない。
一部の非感染性疾患が脳炎に類似することもある。自己免疫疾患の抗NMDA（N-メチル-d-アスパラギン酸）受容体脳炎がその一例であり，この疾患ではニューロンの膜タンパク質に対して自己免疫反応が起きる。
脳感染症はしばしば，脊髄を含む中枢神経系の他の部分をも侵す。脳と脊髄は通常，感染症から保護されているが，感染した場合の転帰はしばしば非常に重篤となる。
感染症は髄膜の炎症（髄膜炎）を引き起こすことがある。細菌性髄膜炎は，しばしば脳へと広がり脳炎を引き起こし，主に脳実質に感染する。同様に，脳炎を引き起こすウイルス感染症は，しばしば髄膜炎も引き起こす。厳密には，脳と髄膜の両方に感染が起きた場合，その病態は髄膜脳炎と呼ばれる。しかしながら，通常は，髄膜炎という用語は主に髄膜を侵す感染症を，脳炎という用語は主に脳を侵す感染症を指して用いられる。
中枢神経系感染症は以下の形で現れる：
脳炎に発展し，ときに脳の特定の領域が侵される，脳実質のびまん性感染症
髄膜感染症または傍髄膜感染症（parameningeal infection）に続発する脳の炎症
限局性または多巣性の感染症（例，脳膿瘍，硬膜下・硬膜外膿瘍，脳の真菌感染症，または脳の寄生虫感染症［有鉤条虫による神経嚢虫症など］に起因するもの）
HIV感染症とプリオン病でも，脳がびまん性に侵されることがある。
急性散在性脳脊髄炎などのように，感染後の機序として脳の病態が顕在化する場合もある。
細菌やその他の感染性微生物は，以下のいくつかの経路で脳および髄膜に到達する：
脳感染症の症状および徴候の多く（例，急性または亜急性の意識障害，痙攣発作，局所神経脱落症状，頭蓋内圧亢進の徴候）は，様々な脳感染症（例，脳膿瘍，頭蓋内硬膜外膿瘍，硬膜下膿瘍）で生じる可能性があり，そのため，それらの感染症を鑑別するのにしばしば脳画像検査が必要となる。
