W zespole obsesyjno-kompulsyjnym stwierdza się liczne dysfunkcje poznawcze, głównie w zakresie uwagi, orientacji przestrzennej, koordynacji wzrokowo-ruchowej, inicjacji ruchu, pamięci (głównie przestrzennej), a także funkcji czołowych, takich jak pamięć operacyjna i funkcje wykonawcze, oraz aktywacji półkulowej. Deficyty te stanowią odzwierciedlenie anomalii w zakresie poszczególnych struktur mózgu oraz połączeń neuronalnych pomiędzy nimi, do których może dojść już we wczesnym okresie rozwoju mózgu, wskutek działania niekorzystnych czynników, takich jak zakażenie paciorkowcowe (PANDAS). Wyniki współczesnych badań neuroobrazowych wskazują, że za niektóre objawy psychopatologiczne i dysfunkcje poznawcze odpowiadają zaburzenia czynności kręgu neuronalnego łączącego orbitofrontalną część kory mózgowej oraz jądra podstawy mózgu. Badania neuropsychologiczne wskazują na różny stopień dysfunkcji poznawczych u poszczególnych chorych z zespołem obsesyjno-kompulsyjnym: u niektórych mają one niewielkie, a u innych znaczne nasilenie. Chociaż we wczesnych etapach choroby z reguły nie obserwuje się globalnego upośledzenia czynności poznawczych, w okresie tym najczęściej stwierdza się już deficyty wybiórcze. Wraz z czasem trwania choroby niektóre zaburzenia poznawcze mogą się nasilać. We wczesnej fazie choroby najsilniej wyrażone deficyty poznawcze występują u tych chorych, u których stwierdza się tzw. miękkie objawy neurologiczne, będące odzwierciedleniem nieprawidłowości strukturalnych i czynnościowych mózgu. Może to się wiązać z gorszymi rezultatami leczenia farmakologicznego i psychoterapeutycznego.