É uma má formação congênita, que ocorre geralmente nas primeiras semanas de gestação. É caracterizada pelo fechamento incompleto do tubo neural, ou seja, algumas vértebras que recobrem a medula espinhal não são totalmente formadas, permanecendo abertas e sem se fundirem. Dependendo do tamanho desta abertura, a medula pode se projetar para fora dos ossos vertebrais, formando uma protuberância mole, ficando sem proteção. Além disto, pode apresentar anormalidades como Síndrome de Arnold-Chiari, hidrocefalia, desenvolvimento anormal do corpo caloso (altera a comunicação entre os dois hemisférios), substância branca desorganizada, córtex mais espesso na região frontal, mais fino posteriormente com deslocamento dos neurônios. A doença descrita e a estrutura comprometida na Síndrome de Arnold-Chiari são, nessa ordem:
Hidrocefalia e mesencéfalo.
Mielomeningocele e telencéfalo.
Meningocele e tálamo.
Espinha bífida e cerebelo.