Le diagnostic neuropathologique de la maladie d'Alzheimer repose sur l'observation d'une accumulation extra-cellulaire de peptides Aβ (dans le cœur des plaques séniles, les dépôts diffus et les parois vasculaires) et celle d'une agrégation intracellulaire de protéine tau (dans les dégénérescences neurofibrillaires, les fibres tortueuses du neuropile, et les prolongements de la couronne des plaques séniles). Ces lésions surviennent selon une marche précise décrite par les stades de Braak pour l'accumulation de protéines  et les phases de Thal pour la pathologie Aβ. Les signes cliniques sont étroitement liés aux stades de Braak. Des dépôts de peptide Aβ peuvent être constatés chez des sujets âgés sans symptômes ou avec des symptômes minimes (maladie d'Alzheimer asymptomatique). Une perte synaptique, précoce, et une mort neuronale, tardive par rapport aux lésions, sont présentes mais ne sont pas nécessaires au diagnostic. La maladie est le plus souvent sporadique. Les rares formes mendéliennes, autosomiques dominantes, sont la conséquence de mutations portant toujours sur les voies métaboliques du peptide Aβ - d'où l'hypothèse de la cascade amyloïde selon laquelle c'est le peptide Aβ qui joue le rôle pathogénique central, l'accumulation de protéine tau étant secondaire, même si elle est plus directement responsable des symptômes. Les monomères (comme les fibrilles) de peptide Aβ ne sont pas toxiques in vitro, contrairement aux assemblages de monomères (appelés « oligomères ») formés sous l'effet de liaisons non covalentes entre les parties hydrophobes du peptide. Les hypothèses actuelles soulignent le rôle de ces oligomères. La plupart des tentatives thérapeutiques actuelles sont basées sur l'hypothèse de la cascade amyloïde.