Aparece na TC como pequenos focos de hemorragia, quando as forças de cizalhamento que provocaram lesão axonal também causam ruptura de pequenos vasos, originando hemorragias geralmente petequiais. São classificadas como lesões de graus 1, 2, e 3, que são de gravidade progressiva. Quando há lesão no tronco cerebral (que é o grau 3), há também nas demais localizações. 

Grau 1 – focos hemorrágicos na junção entre substância branca e cinzenta. 
Grau 2 - Grau 1 +focos hemorrágicos nos núcleos da base e corpo caloso, principalmente sua região posterior. 
Grau 3 - Graus 1 e 2 +pequenos focos hemorrágicos no tronco cerebral. Comumente está associada a hemorragia intraventricular. 

É freqüente que na lesão axonal difusa a tomografia seja normal.  Em 50% dos casos há dissociação entre a imagem e a clínica. Isto ocorre porque as rupturas axonais são microscópicas, não permitindo visualização em exames de imagem. As lesões de corpo caloso e de tronco cerebral são também mais difíceis de observar na TC porque são lesões com menos sangramento.