膝関節症は、症状が進むにしたがって、膝の骨や関節が変形します。
最初は関節軟骨の目に見えないほどの小さな傷から始まり、何年もかけて徐々に進行します。
膝関節症の進行度は一般的に、｢初期、進行期、末期」の３段階に分けるのがふつですが、ここでは初期の前に「前期」
を入れて４段階に分けています。

進行期関節にさらに外力がかかると、関節軟骨内部のコラーゲン繊維の肩組みが徐々に壊され、プロテオグリカンが失われていき、少しずつ関節軟骨がすり減っていきます。こうした変化は、変形性膝関節症の前期から初期にかけて起こります。
また、軟骨変性がさらに進んで関節軟骨の粘りや弾力性が失われると、荷重を軟骨下骨にうまく分配していた機能がくずれ、軟骨下骨の１か所に荷重が集中してしまいます。そのため、軟骨下骨が厚く、硬くなりますが、これを「骨硬化」といいます。

進行期には、関節軟骨のすり減りはより進行し、関節列隙はますます狭くなります。さらに骨棘や骨堤などの骨の変形も進行し、レントゲン写真でも典型的な変形膝関節症の様相を見せるようになります。また、その人の関節の使い方の癖で、偏った荷重が関節にかかり、骨や関節が変形することもあります。たとえば膝の場合、多くは膝の内側にだけ体重の荷重が集中しやすいため、左右ともの膝の内側の関節軟骨だけがすり減り、骨が変形していきます。