组织学检查显示病变直径大多在0.1～1cm，病变部位黏膜完整，病变内没有细胞的增生和血管的芽生。最常见而明显的早期异常是在黏膜下可见到明显扩张而迂曲的薄壁血管，绝大多数仅有内皮细胞层，偶尔有少量的平滑肌，在结构上相似于扩张的静脉。中晚期患者可在黏膜下层见到由局限性静脉或扩张的毛细血管组成的血管团。在更加广泛的病变，黏膜下扩张静脉数目增多、变形，血管穿过黏膜肌层并侵犯黏膜。病变严重时，黏膜可被迂曲而扩张的血管团所代替。 标本的特殊处理有2种常用的方法，一种是采用钡胶注射；另一种是采用硅酮橡胶注射。切除标本后，用肝素盐水将标本血管内的血液冲洗干净，注入上述任何一种物质，待注射物凝固后观察标本黏膜表面和行组织切片观察组织切面，可以比较容易地见到扩张的血管丛。 2.发病机制 Ⅰ型结肠血管扩张症的发生机制与后天性因素引起的结肠静脉回流受阻、黏膜下动静脉短路有关，静脉回流受阻包括黏膜下静脉回流受阻和门静脉回流受阻2种原因。 Bolev认为，结肠血管扩张症的发生与结肠内压经常反复升高有关，结肠内压力升高或肠壁平滑肌处于收缩状态，使穿越平滑肌的血管壁受压，肠壁黏膜下小静脉回流受阻，静脉内压力升高，加之静脉壁本身的病变和薄弱，导致静脉迂曲扩张。同时由于静脉血管扩张引起毛细血管前括约肌功能不全，进而形成微小的动静脉瘘，使静脉内压力进一步升高，加重血管扩张(图2)。根据Laplace物理定律：球形物体腔壁所受的压力与该球体半径的平方和腔内压力的乘积成正比，也即腔壁所受的压力与球体半径的平方成正比。盲肠和近端升结肠是全结肠中直径最大的部分，当某种原因引起结肠腔内压力增高时，盲肠和升结肠近端的肠壁所受的压力最大。由此可解释结肠血管扩张症好发于右半结肠近端的原因。 
Ⅱ型和Ⅲ型结肠血管扩张症的发生一般认为与先天性肠壁和血管壁的发育缺陷有关。
在结肠血管扩张症伴有急性出血的患者，除以上表现外，还可以在病变部位观察到造影剂溢入肠腔内，表现为血管簇周围持续存在局限性不定形的阴影。 3.纤维结肠镜检查 近年来，纤维结肠镜检查已愈来愈多地应用于结肠血管扩张症的诊断。该方法既可以用来证实肠系膜血管造影的结果，排除其他病因引起的出血，如消化道肿瘤等，同时还可用于病变的活检和治疗。Salem等对56例结肠血管扩张症的肠系膜血管造影和纤维结肠镜检查的结果进行了比较，发现两者有88%的结果相符。另外，纤维结肠镜检查还常可发现肠系膜血管造影难以发现的多发性微小病变。但是，纤维结肠镜检查对肠道准备的清洁程度、检查者的经验水平有较高的要求。 结肠血管扩张症病变的内镜下表现与病变的程度有很大关系。由于通常的病变位于黏膜下，并且病变范围较小，在大多数轻症患者黏膜表现不明显，内镜检查难以发现明显的血管病变。当扩张血管侵及黏膜层时，病变部位可见典型的平坦或略为隆起的红色血管斑，斑点内可见呈蜘蛛网样或珊瑚样分布的血管网。病变局部黏膜充血，触之易出血。有活动性出血的患者，纤维结肠镜检查可在出血部位见到出血点，周围有扩张的血管斑点。 虽然可以通过纤维结肠镜进行病变的活检，但可能引发出血，故应持谨慎态度。另外，应当引起注意的是纤维结肠镜检查结果假阳性比较多，其结果的解释需与近期消化道出血的病史以及肠系膜血管造影的结果相结合。 4.99mTc标记红细胞扫描 与纤维结肠镜和肠系膜血管造影检查相比，99mTc标记红细胞扫描在诊断结肠血管扩张症出血方面具有更大的优越性。该检查快速、无创、不需要做任何的肠道准备，对出血速度要求较低。肠系膜血管造影诊断消化道出血一般要求出血速度在每分钟1～2ml以上，而99mTc标记红细胞扫描只需出血速度在每分钟0.1ml以上即可。