嬰幼兒腸道黏膜屏障作用較弱，輪狀病毒可突破胃腸道屏障進入血液，突破血腦屏障，引起中樞神經系統癥狀。
輪狀病毒並發中樞神經系統癥狀一般可表現為良性驚厥、無菌性腦膜炎、腦病綜合征，主要以良性驚厥最常見。目前有關輪狀病毒並發良性驚厥的發病機制尚未完全明確，但主要有以下四種假說：
▶ 輪狀病毒並發病毒血症，使患兒驚厥閾值下降，因此相關癥狀發作。
▶ 嬰幼兒大腦發育不成熟，大腦細胞在某些外因影響（如腹瀉、嘔吐）下，會出異常放電。
▶ 輪狀病毒並發良性驚厥患兒的腦脊液NO濃度大大高於化膿性腦膜炎、腦炎，以及高熱驚厥患兒，預測NO可能對輪狀病毒並發良性驚厥有一定作用。
▶ 輪狀病毒並發良性驚厥屬於輕度腦炎，因為在此類患兒的腦脊液中檢測到輪狀病毒DNA及特異性IgG。
除了損害中樞神經系統，目前醫學界還認為輪狀病毒可損害呼吸道、血液、心臟、肝臟、胰腺等器官的損害，引致嚴重併發症發生。