La définition nosologique de la SEP reste anatomique ; la description des lésions lui a valu son nom (Charcot 1868).
C'est une démyélinisation, destruction de la myéline dans la substance blanche de l'encéphale et de la moëlle, respectant les axones (dissociation myélino-axonale, au moins relative).
C'est une démyélinisation inflammatoire comme en témoignent les lésions jeunes où l'oedème et l'infiltrat inflammatoire accompagnent la désintégration active des gaines de myéline. Dans les lésions moins jeunes, c'est à la périphérie des lésions, dans leur zone de progression qu'on trouve l'inflammation : lymphocytes T (CD4), puis macrophages et lymphocytes B ; sécrétion d'immuno-globulines (IGM puis IGG). Les lésions anciennes sont le siège d'une prolifération astrocytaire qui caractérise la sclérose du tissu nerveux ; ce que Charcot a décrit, c'est le stade cicatriciel des lésions.
Ces lésions démyélinisantes ont une répartition et une topographie singulières, non pas diffuses, ni en nappes, ni en manchons, mais en plaques. Les zones de démyélinisation sont circonscrites, à la coupe arrondies ou ovalaires, dans l'espace ovoïdes, bien circonscrites, avec une frontière nette par rapport à la myéline saine. Ces plaques sont multiples et disséminées dans le système nerveux central (encéphale, nerf optique, moëlle épinière), pouvant toucher n'importe quel secteur de la substance blanche, mais avec des sites de prédilection : tronc cérébral, zones périventriculaires.