De ziekte is volgens de meest geaccepteerde hypothese het gevolg van het feit dat bepaalde eiwitten (amyloïdprecursorproteïne:APP) ongewoon af worden gebroken. Daardoor ontstaan ongewone afbraakproducten (bèta amyloïd) die aggregaten (klonten) vormen buiten de hersencellen. Eveneens is er een intracellulaire vorm van amyloïd dat uit Tau bestaat. Naar alle waarschijnlijkheid zijn deze vormen van amyloïd schadelijk voor cellen van de hersenen welke vervolgens af zullen sterven.
Bij het onderzoek na het overlijden van een patiënt met de ziekte van Alzheimer wordt een sterk gekrompen hersenschors (atrofie) aangetroffen, met buiten de cel gelegen amyloïdneerslagen (zogenaamde seniele plaques), in de cel gelegen amyloïdneerslagen (neurofibrillaire kluwens) en neerslagen rondpm de bloedvaten. Dergelijke neerslagen zijn ongelijkmatig verdeeld over de hersenschors. Vooral delen van de hersenschors waar geheugenfuncties zijn gelokaliseerd, zijn in het begin aangetast. Vooralsnog is de ziekte van Alzheimer een ziekte aan de grijze stof van het cerebrum.
Een vroege vaststelling of detectie van de ziekte van Alzheimer vormt op dit moment een belangrijk studieobject. Een veelbelovende techniek is het in beeld brengen van het amyloïd in de hersenen door middel van het uitvoeren van een PET-scan. Hierbij wordt door een arts in de bloedbaan van een arm een radioactieve stof gespoten. De stof (Pittsburg compound B of PiB geheten) gaat dan een chemische verbinding aan met amyloïd dat in de hersenen aanwezig is. De afbraakproducten of plaques worden dan zichtbaar in het beeld van de scanner. Omdat plaques in sommige gevalleen eveneens in de hersenen van normale ouderen voorkomen, is het belangrijk te weten bij welke hoeveelheid er een aanwijzing is voor de ziekte van Alzheimer. Een andere techniek is de lumbale punctie, waarbij de ruggenmergvloeistof onderzocht wordt op afbraakproducten van amyloïd.