Patofisiologi gangguan bipolar masih belum diketahui secara pasti. Penelitian biokimia menunjukkan bahwa patofisiologi gangguan bipolar melibatkan interaksi antara berbagai neurotransmiter, hormon, dan steroid. Episode manik diperkirakan dipicu oleh kelebihan neurotransmiter katekolamin, sedangkan depresi akibat kekurangan neurotransmiter katekolamin.[5,6]

Jaras-jaras neuronal yang terlibat dalam patofisiologi gangguan bipolar diperkirakan adalah sistem dopaminergik, jaras sitokin inflamatorik, stress oksidatif dan nitrosatif, disfungsi mitokondrial, stress retikulum endoplasma, perubahan pada jaras CREB dan sistem neurotrofik, neuroinflamasi, jaras triptofan, dan disregulasi aksis hipotalamik-pituitari-adrenal (HPA).[7]

Penelitian neuroanatomi dan neuroimaging menunjukkan bahwa lesi-lesi di area frontal dan temporal berhubungan dengan gangguan bipolar. Lesi di sebelah kiri banyak berhubungan dengan episode depresi, sedangkan lesi di sebelah kanan banyak berhubungan dengan episode manik. Walaupun demikian, belum ada temuan neuroanatomis yang dilaporkan secara konsisten berhubungan dengan gangguan bipolar.[5] Penelitian neuroimaging menemukan adanya pembesaran ventrikel, penurunan grey matter pada area hipokampus, fusiform, dan cerebellum setelah episode manik. Sering juga ditemukan penurunan grey matter pada sisi rostral kiri korteks cinguli anterior dan korteks fronto-insular kanan.[7]