Patofisiologi mata merah dapat disebabkan oleh berbagai macam penyakit, misalnya konjungtivitis, perdarahan subkonjungtiva, glaukoma, blefaritis, keratitis, dan benda asing pada mata.

Pada mata normal, konjungtiva menunjukkan jaringan pembuluh darah yang halus dengan latar sklera yang berwarna putih. Mata merah dapat disebabkan oleh dilatasi pembuluh darah di mata maupun perdarahan di daerah subkonjungtiva.

Vasodilatasi yang disertai dengan hiperemia pada mata dinamakan injeksi. Injeksi siliari  melibatkan cabang pembuluh darah arteri siliari anterior dan mengindikasikan adanya inflamasi pada kornea, iris dan badan siliari. Injeksi konjungtiva utamanya melibatkan pembuluh darah konjungtiva posterior. Pembuluh darah konjungtiva lebih superfisial daripada pembuluh darah siliari sehingga dapat menyebabkan mata terlihat lebih merah dan dapat menghilang dengan vasokonstriktor topikal.[3]

Mata merah juga dapat disebabkan oleh perdarahan subkonjungtiva. Perdarahan subkonjungtiva ditandai dengan kemerahan akibat perdarahan dibawah konjungtiva yang berbatas tegas, tanpa disertai dengan produksi cairan berlebihan, dan tidak disertai dengan inflamasi. Perdarahan subkonjungtiva berasal dari pecahnya pembuluh darah di konjungtiva atau episklera ke dalam ruang subkonjungtiva. Perdarahan subkonjungtiva dapat terjadi secara spontan, akibat trauma atau disebabkan oleh penyakit sistemik.[4]