由于圓錐角膜確切病因不清，可能為多因素所致，如遺傳因素、內分泌因素等。明顯的圓錐角膜易于確診。當外觀及裂隙燈所見不典型時，早期診斷較困難。最有效的方法為角膜地形圖檢查。其他還有Placido盤、角膜曲率計、視網膜檢影等。
根據穿透性角膜移植時切除的圓錐角膜組織標本，光鏡下最顯著的病理改變為中央部角膜基質層比周邊部明顯變薄，以圓錐頂為最薄。早期便有上皮細胞受損，表現為細胞水腫、核固縮，胞質內細胞器受到不同程度破壞。
晚期時基底細胞消失，只剩下1～2層扁平細胞。在圓錐底部周邊，可見鐵質聚集在上皮細胞各層及前彈力膜中。前彈力膜發生增厚和纖維變性，在相差顯微鏡下可見此膜失去正常的均質性，呈波浪狀，并有斷裂，裂口可由其下的基質膠原凸起或上皮細胞所填充。這種破裂在橢圓形圓錐比圓形圓錐更易發生。基質層可發生膠原纖維變性，最后可廣泛遭到破壞，由新生的排列不規則結締組織所代替。
晚期的基質顯著變薄。以往認為是一些膠原板層從其他板層及前彈力膜上分離、滑脫使角膜變薄，并非真正的膠原溶解。有人在電子顯微鏡下發現基質層的膠原小板數與正常角膜相近，認為膠原小板本身變化不大，變薄的原因是小板間的間質減少。
據報道，有12、3%病例發生后彈力膜破裂，不久便有破口緣向基質前卷曲。然后鄰近的內皮細胞通過本身的面積擴大和滑行移動覆蓋破口區，新生的后彈力膜逐漸鋪平。基質層水腫逐漸消退，形成瘢痕結締組織。病變早期的內皮細胞尚屬正常，晚期可變扁平并發生核分離。
后部型圓錐角膜與前部型的主要鑒別在于后部型角膜后表面的彎曲度加大。前表面的彎曲度正常;而前部型角膜前后表面的彎曲度均有變化。
球形角膜為先天性角膜異常，累及范圍極大，可侵及全角膜，表現為角膜基質及周邊部均勻變薄，僅為正常角膜厚度的1/5左右，在某些病例甚至可以見到周邊部較中央部更薄，在外力的撞擊下極易發生角膜穿孔。組織學檢查角膜各層組織均具備。其病因與發病機制未明，可能與圓錐狀角膜同屬一類疾病。曾有報道某些病例一眼為圓錐狀角膜，另一眼為球形角膜。