Il passaggio della corrente attraverso il cervello provoca immediatamente un intenso attacco convulsivo, identico ad un grave attacco di epilessia, che dura dai 10 ai 40 secondi.
Durante l'attacco epilettico che segue lo schock elettrico, il cervello aumenta il suo metabolismo del 400%; aumentano anche il flusso sanguigno (400%) e la pressione sanguigna locale (200%). Lo shock danneggia la barriera emato-encefalica, uno strato protettivo che impedisce a molte sostanze presenti nel sangue di entrare nel cervello. Viene inibita la sintesi di proteine e di RNA, compaiono livelli abnormi di alcuni neurotrasmettitori e di alcuni enzimi. Compaiono alti livelli di acido arachidonico, che possono danneggiare i vasi sanguigni del cervello.
Il tessuto cerebrale viene danneggiato e molti vasi sanguigni si rompono, generando delle piccole emorragie cerebrali, l'aggravarsi delle quali è la più frequente causa di morte da elettroshock.. I danni cerebrali causati dall'elettroshock possono essere accertati medianti i comuni metodi di indagine come le autopsie e le variazioni elettroencefalografiche; osservando il cervello di chi ha subito una serie di elettroshock, si nota una riduzione di massa cerebrale, analoga a quella osservabile in alcune forme di demenza. I danni cerebrali sono irreversibili, permanenti nel tempo e sono stati rilevati, mediante autopsie, nei cervelli di persone morte dopo dieci o venti anni aver subito l'elettroshock.
Un interessante documento della CIA datato 3 dicembre 1951, relativo al progetto di controllo mentale "Artichoke", rilasciato sotto la direttiva dell'Atto di Libertà di Informazione, recita nel modo seguente: "con un comune apparecchio per l'elettroshock, facendo i normali trattamenti di elettroshock (...) un individuo può essere portato progressivamente (...) sino ad un livello di vegetale".
L'utilizzo di rilassanti muscolari e l'effettuazione sotto anestesia non interferiscono in alcun modo con la possibilità di lesioni cerebrali ma limitano la percezione del dolore momentaneo e il rischio di fratture osse o lesioni ai denti.
Gli effetti sulla memoria sono da sottolineare: nonostante da più parti si tenda a sostenere che i danni alla memoria siano temporanei e limitati nel tempo, la quasi totalità delle testimonianze di pazienti trattati con elettroshock smentisce questa teoria, riportando notizie di menomazione della capacità discorsiva e perdite di memoria irreversibili, oltre a tutta una serie di altri disturbi quali attacchi di panico, persistenti emicranie, difficoltà di inserimento nel contesto sociale.
Un noto esempio di vittima dell'elettroshock, lo scrittore Ernest Emingway, scrisse al riguardo: "Bene, che significato ha distruggere la mia testa e cancellare la mia memoria, che è il mio capitale, e impedirmi di lavorare? E' stata una cura brillante, ma abbiamo perso il paziente". Hemingway si sparò nel 1961, poco tempo dopo aver subito una serie di più di venti elettroshock.
