De acordo com estudos de neuroimagem, os circuitos cerebrais alterados em pacientes com TOC incluem regiões do córtex orbitofrontal, o caudado e o tálamo, além de atividade aumentada em lobos frontais, gânglios da base e cíngulo.

Dentre os neurotransmissores envolvidos nesse transtorno, o sistema noradrenérgico é o mais disfuncional.

Infecções estafilocócicas podem causar febre reumática e por volta de 10-30% desses pacientes desenvolvem coreia de Sydenham e sintomas obsessivo-compulsivos.

Estudos genéticos apontam que familiares de pacientes diagnosticados com TOC apresentam uma probabilidade dez vezes maior de apresentarem características de TOC.

De acordo com teorias de aprendizagem, as compulsões são estímulos condicionados.