PTSS verstoort de werking van hersengebieden die betrokken zijn bij angst, geheugen en emotieregulatie. De amygdala (angstcentrum) is vaak overactief, terwijl de hippocampus (geheugenverwerking) en prefrontale cortex (controle en afremmen van angst) juist minder actief zijn. Hierdoor blijft het brein in een staat van waakzaamheid. Dit leidt tot aanhoudende stress. De hersenen reageren alsof het trauma nog steeds gaande is.