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19世纪德国病理学家Virchow提出“血栓形成三要素”的概念，将导致血栓形成的各种风险因素分为3类，包括血流紊乱（淤滞）、血管壁（内皮）损伤和血液成分异常（血液高凝状态）。历经百余年，“血栓形成三要素”仍适用于临床对各类型血栓栓塞性疾病的机制分析和风险评估。
构成血栓栓子的主要成分包括血小板和纤维蛋白，根据血栓内部成分可将血栓分为血小板血栓（常见于微血管）、白色血栓（多见于动脉附壁血栓）、红色血栓（多见于血流淤滞的静脉血管）、混合血栓（多见于动脉粥样斑块破裂后）、微血栓（多见于弥散性血管内凝血、急性呼吸窘迫综合征、颅脑创伤相关凝血病、突发性聋和视网膜中央动脉闭塞等）和感染性血栓，在癌细胞血行转移时亦可见包含肿瘤细胞的瘤栓。根据血栓栓塞部位，临床常见血栓类型包括动脉血栓栓塞性疾病、静脉血栓栓塞性疾病、心腔内血栓和微血管血栓。由于发生机制和疾病过程的差异，不同类型血栓栓塞性疾病在风险诱因、病理机制、疾病过程和治疗原则方面存在显著差异。
静脉血栓栓塞性疾病，即静脉血栓栓塞症（VTE）是一种由环境暴露和遗传风险相互作用引起的多因素疾病。VTE形成过程以凝血系统活化异常或失控为基础，患者多有严重的或进行性高凝状态，VTE栓子的纤维蛋白负荷通常高于动脉血栓，且栓子内部结构更为致密，更不易溶解。导致VTE形成的诱因繁多，多数患者病程隐匿，直到发病前仍无明显症状，甚至在发病初期也常因症状不典型而漏诊。
VTE包括深静脉血栓形成（DVT）和肺血栓栓塞症（pulmonary thromboembolism，PTE），两者是同一疾病的不同阶段，在发病机制上相互关联，风险因素几乎一致。同时，由于患者个体差异大，原发病、合并症以及临床干预等获得性风险因素可叠加出现，许多患者同时还存在遗传性风险（以及表观遗传改变），使VTE的防治变得非常复杂。
在血管壁损伤方面，既有血流动力学异常、免疫失衡、重症感染、代谢紊乱等因素造成的血管内皮细胞破坏和功能紊乱，也有手术、创伤、中心静脉置管、化学药物刺激等因素导致的血管壁结构破坏。
在血液成分异常方面，造成血液处于高凝状态的原因大致可分为凝血系统异常活化、抗凝系统功能减弱、纤溶系统成分缺陷或过度抑制等，包括生理性（如高龄、妊娠期）、病理性（如癌症、抗磷脂综合征、骨科大手术、创伤、脓毒症、心力衰竭等）、遗传性（如易栓症）和药物性（如口服避孕药、激素替代治疗、肝素诱导的血小板减少症、口服华法林初期）等多方面因素。
在血流动力学方面，主要涉及制动（如长期卧床）以及各种病理因素所致的血流淤滞和回流不畅，血流异常的位置多与血栓发生部位相关，既可是外周血管（下肢深静脉），也有内脏血管（门静脉、肠系膜静脉、颅内静脉窦），其中下肢静脉最易发生血栓，致残、致死率高。
在上述因素中，单一风险往往不足以引起血栓形成，VTE常是多种因素异常的综合结果。需注意的是，心脑血管（动脉血栓）现病史、既往史及其相关风险因素同时也是VTE的诱因。
由于VTE形成过程隐匿，发病急骤，因此对于有潜在风险的人群，应全面收集患者信息（病史、治疗史、家族史和检查结果），利用风险评估工具和实验室监测进行血栓风险评估，并根据患者的血栓形成危险程度有针对性地进行临床干预（如抗凝治疗、物理预防等），以降低VTE发生风险。
动脉粥样斑块破裂是动脉血栓形成的基础。长期血管壁慢性炎性病变导致粥样斑块负荷逐渐增大，同时促炎成分（包括白介素-6、趋化因子、C反应蛋白、脂蛋白磷脂酶A2等）和促凝成分（包括vWF、纤维蛋白原、FⅦa、血小板等）水平显著增高，使血管内皮细胞损伤持续存在，血管管腔狭窄，血流灌注不足。随着斑块表面纤维帽变薄和斑块内部糜烂塌陷，斑块不稳定性增强，在血管痉挛、血流剪切应力以及血压波动的作用下，最终斑块破裂。由于斑块中的泡沫细胞（吞噬氧化型低密度脂蛋白胆固醇的单核-巨噬细胞）合成高浓度组织因子和基质金属蛋白酶，在斑块破裂后短时间内释放入血，导致血小板和凝血系统迅速激活。
动脉血栓形成过程中，由于血管内皮损伤严重和组织因子大量释放，血小板和凝血两个系统均发生明显活化并相互作用和影响，在动脉血栓形成的最初阶段，血小板黏附聚集于斑块破损表面，形成较大型的血小板栓子，而持续的凝血活化导致血小板栓子表面形成并覆盖大量纤维蛋白凝块，两类栓子迅速融合，最终构成混合血栓。因此，动脉血栓栓塞性疾病（如急性冠脉综合征、脑血栓形成等）的抗栓药物治疗以及二级预防通常采用抗血小板治疗联合抗凝治疗。
心腔内血栓是独立于VTE和动脉血栓的特殊血栓类型，通常分为两类，其一是来自于身体其他部位的脱落血栓，其二是心腔内原位血栓形成。右心回收来自全身静脉系统的血液，因此，右心血栓多由静脉系统血栓脱落而来（偶见右心腔内形成血栓），相关危险因素与VTE相同。左心的血液为肺循环交换过后的新鲜动脉血，由肺静脉形成血栓脱落的情况较少见，主要是原位血栓形成，常见危险因素包括介入操作因素（如起搏器植入、人工瓣膜置换术后）和遗传性或获得性因素导致的心脏或瓣膜结构/功能改变（如心房颤动、风湿性心脏病）。
与多数动、静脉血栓栓塞性疾病相比，心腔内原位形成血栓（尤其是左心）的患者常同时存在严重血管内皮损伤（还包括心肌内膜损伤）、血流动力学异常（局部或全身性血流淤滞）以及血液促凝成分（涉及凝血、纤溶、血小板系统）等多方面的功能异常，一旦心腔内栓子脱落多导致颅内动脉栓塞，致残、致死率高。因此，对于存在心腔内血栓风险的患者，不但需要动态观察和风险预测，同时更要实施长期且充分的抗栓预防。