脑栓塞的病因包括心源性因素和非心源性因素。心源性因素有心房颤动（最常见，约15%-20%缺血性卒中与之有关，老年、女性及有其他心血管病史者风险高）、心脏瓣膜病（如风湿性心瓣膜病、感染性心内膜炎，不同年龄、性别发病有差异，有病史者风险高）、心肌梗死（急性心梗时坏死区域易形成血栓致脑栓塞，男性、中老年易发病，有病史者不控危险因素风险增）；非心源性因素有动脉源性（动脉粥样硬化与年龄、性别、生活方式等有关，动脉夹层与外伤、先天异常、高血压等有关）和其他非心源性因素（空气栓塞、脂肪栓塞、癌栓等，各有其发生相关情况）。
心脏瓣膜病：如风湿性心瓣膜病，尤其是二尖瓣狭窄时，左心房血液淤积，容易形成血栓；感染性心内膜炎时，心内膜表面形成的赘生物容易脱落，随血流进入脑循环导致脑栓塞。心脏瓣膜病在不同年龄段的发病情况不同，风湿性心瓣膜病在过去多见于中青年，而随着人口老龄化等因素，老年退行性心脏瓣膜病也逐渐增多。女性在一些心脏瓣膜病的发病和进展上可能有一定差异，比如某些激素水平可能对瓣膜病变有一定影响。有心脏瓣膜病病史的人群，发生脑栓塞的风险明显增加，需要积极治疗原发病来降低风险。
心肌梗死：急性心肌梗死时，心肌坏死区域容易形成血栓，血栓脱落后可随血液循环进入脑部，引起脑栓塞。心肌梗死的发生与年龄、性别、生活方式等密切相关，男性发病风险相对高于女性，中老年人群更容易发生。有心肌梗死病史的患者，若不积极控制危险因素（如高血压、高血脂、糖尿病等），发生脑栓塞的概率会增加。
非心源性因素
动脉源性
动脉粥样硬化：颈动脉、椎动脉等颅外动脉的粥样硬化斑块破裂，斑块内的物质或血栓脱落，可导致脑栓塞。动脉粥样硬化的发生与年龄增长密切相关，随着年龄增加，血管壁逐渐出现粥样硬化改变。男性和女性在动脉粥样硬化的发病和进展速度上可能有差异，一般男性在中年后发病风险逐渐升高，女性在绝经后发病风险上升加快。长期吸烟、高脂饮食、高血压、糖尿病等不良生活方式和基础疾病会加速动脉粥样硬化的进程，增加脑栓塞的发生风险。例如，长期吸烟的人，烟草中的有害物质会损伤血管内皮，促进动脉粥样硬化斑块的形成。
动脉夹层：动脉壁内膜撕裂，血液进入动脉壁中层形成夹层，夹层内的血栓或内膜片脱落可导致脑栓塞。动脉夹层可发生在不同年龄和不同动脉部位，其发生可能与外伤、先天性血管发育异常、高血压等因素有关。中青年人群中，因外伤等因素导致动脉夹层的情况时有发生，而高血压患者由于血管承受压力较大，也容易发生动脉夹层。
其他非心源性因素
空气栓塞：如潜水员病、人工气胸或气腹、颈部手术或操作时空气进入血管等情况，空气形成气泡随血流进入脑部，阻塞脑血管。这种情况在潜水员等特殊职业人群中较为常见，当潜水员快速上升时，体内溶解的氮气形成气泡，若气泡进入脑血管就会引起脑栓塞。颈部手术操作时，如果操作不当，空气进入血管也可能导致空气栓塞。
脂肪栓塞：多见于长骨骨折、脂肪组织严重挫伤等情况，脂肪滴进入血液循环，随血流到达脑部引起脑栓塞。长骨骨折患者中，尤其是儿童和青壮年长骨骨折时，发生脂肪栓塞的风险相对较高。骨折后脂肪组织损伤，脂肪滴进入血管，若进入脑部血管就会阻塞血管，影响脑部血液循环。
癌栓：恶性肿瘤患者体内的癌组织坏死脱落，癌栓随血流到达脑部，引起脑栓塞。恶性肿瘤的发生没有明显的性别绝对差异，但不同类型的肿瘤在不同性别和年龄中的发病率不同。例如，肺癌、肝癌等容易发生癌栓转移，晚期恶性肿瘤患者发生脑栓塞的风险增加，因为肿瘤细胞容易侵犯血管并形成癌栓。
