O esfriamento causado pela hipotermia terapêutica aumenta a liberação de amnioácidos excitatórios e diminui a liberação de óxido nítrico no cérebro.

Em resposta aos mecanismos de lesão celular desencadeados pela hipoxemia e isquemia na fase de lesão primária do sistema nervoso central, após um período de latência que dura cerca de 6 a 48 horas, ocorre a vasodilatação da região acometida, iniciando-se a chamada fase de reperfusão. Neste paciente foi indicada precocemente a hipotermia terapêutica, pois deve ser iniciada após as primeiras 6 horas de vida.

A neuroproteção conferida pela hipotermia terapêutica pode ocorrer de maneira mais efetiva quando iniciada na fase de latência, antes do estabelecimento pleno da reperfusão cerebral.

O mecanismo protetor melhor conhecido e desencadeado pela hipotermia é o aumento metabolismo cerebral.