抑郁症大脑和正常人大脑形态结构、神经生化方面、大脑某些部位功能等存在区别。抑郁症患者的发病不仅仅是患者大脑功能的异常，研究认为，抑郁症患者病情之所以反复发作，说明患者大脑可能存在某些结构等方面的异常，或存在某些病理性、器质性基础，当反复发作时应从根本上找到原因治疗。
1、大脑形态结构：对抑郁症患者大脑的影像学例如CT或PET-CT研究报道发现，某些慢性抑郁症患者的大脑同正常人大脑比较存在一些非特异性的改变。例如有些抑郁症患者的侧脑室扩大，小脑萎缩，而有些患者两侧前额叶皮层不对称，额叶功能低下等；
2、神经生化方面：抑郁症患者大脑某些中枢神经递质例如多巴胺、去甲肾上腺素、5-羟色胺等的分泌、分布及作用与正常人不同。抑郁症患者大脑某些区域，如海马体或边缘叶的5-羟色胺含量下降，或有关神经递质受体功能下降等，这些因素与患者的抑郁症状有一定的相关性或存在某些联系；
3、大脑某些部位功能：抑郁症患者大脑某些部位功能异常，表现为神经内分泌的异常，例如下丘脑垂体功能异常，影响患者的体液调节；如褪黑素分泌异常，导致患者生物节律紊乱，睡眠与觉醒规律被打破，引起患者睡眠障碍等。