Những thay đổi sinh lý ở làn da lão hóa bao gồm những thay đổi về mặt cấu trúc và sinh hóa cũng như thay đổi về thần kinh da, tính thấm, đáp ứng với tổn thường, khả năng phục hồi và tăng tỷ lệ mắc một số bệnh về da. Mặc dù số lượng các lớp da vẫn ổn định nhưng độ dày của da mỏng dần theo thời gian. Biểu bì là lớp biểu hiện rõ nhất ở phụ nữ và đặc biệt là ở mặt, cổ, ngực và khủy tay. Độ dày của da vào khoảng 6,4% mỗi mười năm và liên quan đến sự giảm số lượng tế bào biểu bì.

Các tế bào sừng ở làn da lão hóa sẽ thay đổi hình dạng, trở nên ngắn hơn và nhiều chất béo hơn, trong khi các tế bào chết thì trở nên lớn hơn vì quá trình tái tạo biểu bì bị giảm. Enzyme kích hoạt melanin cũng giảm từ 8% đến 20% mỗi mười năm dẫn đến việc mất sắc tố ở làn da của người lớn tuổi. Mặc dù số lượng tuyến mồ hôi không thay đổi nhưng sự sản xuất bã nhờn giảm tới 60%.

Việc giảm lượng nước tự nhiên và nhũ tương béo được quan sát thấy đặc biệt là lượng nước trong lớp sừng. Lượng lipid trong da lão hóa cũng giảm khoảng 65%. Sự thay đổi thành phần các loại acid amin cũng có thể làm giảm các yếu tố giữ ẩm tự nhiên của da, dẫn đến việc giảm khả năng giữ nước. Đường cơ bản TEWL giảm theo tuổi cũng cho thấy việc giảm lượng nước trong da. Phục hồi giá trị đường cơ bản TEWL cũng có thể làm chậm quá trình lão hóa của da, cho thấy sự thay đổi sâu sắc về tính toàn vẹn của hàng rào bảo vệ da mặc dù trên thực tế chức năng hàng rào bảo vệ ở da lão hóa cũng không bị ảnh hưởng nhiều.

Sự thay đổi cấu trúc lớn nhất ở da lão hóa là sự xẹp của lớp giao thoa giữa trung bì-biểu bì đến khoảng 1/3, là kết quả của sựu mất lớp nhú cũng như sự xen kẽ nhau giữa các lớp tế bào. Các biểu hiện này có thể quan sát thấy bằng kính hiển vi bắt đầu từ tuổi 60, từ đó dẫn đến việc da dễ bị tổn thương hơn. Bề mặt tiếp giáp nhỏ giữa hai lớp trung bì và biểu bì cũng tạo ra sự giảm cung cấp chất dinh dưỡng và oxy cho tế bào, tăng nguy cơ tách lớp biểu bì, dẫn đến hình thành nếp nhăn.

Độ dày của lớp trung bì giảm theo tuổi, dẫn đến sự giảm cả mạch máu và tế bào cũng như giảm số lượng tế bào mast và nguyên bào sợi. Lượng glycosaminoglycan trong lớp trung bì cũng giảm theo tuổi, đặc biệt là lượng acid hyaluronic được sản sinh bởi các nguyên bào sợi cũng như các chất ở lớp giao thoa biểu bì-trung bì. Lão hóa còn liên quan đến việc giảm tái tạo collagen (do giảm lượng nguyên bào sợi và sự tổng hợp collagen của chúng) cũng như lượng elastin. Elastin cũng bị vôi hóa cao ở da lão hóa liên quan đến sự thoái hóa của các sợi elastin. Trong khi các liên kết gữa các collagen vẫn ổn định nhưng các bó collagen lại trở nên lộn xộn.

Sự mất tính toàn vẹn của các phân tử ở lớp trung bì dẫn đến sự tăng độ cứng, giảm độ xoắn và giảm độ đàn hồi, ở phụ nữ nhanh hơn ở nam giới. Khả năng lành sau tổn thường cũng chậm hơn ở da lão hóa, cũng cùng một tổn thương nhưng da khỏe có thể chỉ cần vài phút để phục hồi nhưng da lão hóa cần đến một ngày.

Công nghệ CLSM và OCT cũng cho thấy sự giảm rõ rệt về độ dày tối đa của lớp biểu bì cũng như độ xẹp của lớp biểu bì – trung bì. Lớp tế bào đáy được quan sát thấy là sâu hơn ở da trẻ so với da lão hóa. Các lớp này là sự chuyển tiếp của lớp trung bì nhú và trung bì lưới.

Tổng khối lượng mỡ dưới da cũng thường giảm dần theo tuổi, mặc du tỷ lệ mỡ toàn cơ thể thì tăng cho đến tận 70 tuổi. Sự phân phối mỡ cũng thay đổi, nó giảm ở mặt, tay, chân và tăng ở đùi, eo và bụng. Những thay đổi này có thể là để tăng chức năng điều nhiệt bằng các cơ quan cách điện hơn.