Phình mạch não xảy ra khi thành động mạch suy yếu hoặc bị khiếm khuyết, dù vậy, hiện vẫn chưa có hiểu biết đầy đủ về nguyên nhân dẫn đến tình trạng này. Đây có thể là một quá trình thoái hóa, trong đó các yếu tố như tuổi cao và huyết áp cao có vai trò cốt yếu. Tình trạng này cũng thường liên quan đến chứng xơ vữa động mạch, một bệnh lý về mạch máu khiến cho động mạch bị cứng lại do sự tích tụ chất béo lắng đọng trong thành động mạch.
Phình mạch não thường xảy ra ở những người mắc các chứng rối loạn di truyền đặc biệt bao gồm rối loạn mô liên kết và bệnh thận đa nang. Một số bệnh lý về tuần hoàn, ví dụ như dị dạng động-tĩnh mạch, cũng có thể gây phình mạch não. Các nguyên nhân khác bao gồm lạm dụng đồ uống có cồn và chất gây nghiện, chấn thương đầu, nhiễm trùng và u.