Zmiany te dają charakterystyczny obraz cukrzycowego stwardnienia kłębuszków nerkowych (glomerulosclerosis diabetica), któremu odpowiada kliniczny zespół nefropatii cukrzycowej. Nerki są powiększone lub prawidłowej wielkości, zaś zmniejszenie jest najczęściej wynikiem współistnienia odmiedniczkowego ich zapalenia (pyeonephritis). We włośniczkach główną zmianą jest wybitne pogrubienie błony podstawnej oraz proliferacja śródbłonków, co doprowadza do niedrożności i zarośnięcia naczyń kłębuszka, a następnie do jego zwłóknienia. Zgrubieniu ulega także błona podstawna przylegająca bezpośrednio do mezangium, zewnętrznej warstwy torebki kłębuszka (Bowmana) oraz cewek nerkowych. Zmiany mogą mieć charakter rozlany (glomeiuloscleiosis diabetica diliusa) lub guzkowy (glomeiuloscleiosis diabetica nodosa), rzadko wysiękowy. W mikroskopie świetlnym zmiany w kłębuszkach uwidaczniają się w postaci linijnego pogrubienia błony podstawnej i mezangium, dającego dodatnią reakcję p.a.S. Postać guzkową obserwuje się znacznie rzadziej, chociaż to właśnie te zmiany stanowiły substrat anatomiczny zespołu opisanego przez Kimmelstiela i Wilsona w 1936 r.. W mikroskopie świetlnym stwierdza się zwykle w obwodowym płaciku kłębuszka guzki o średnicy 20—100m, utworzone z substancji szklistej, dającej silnie dodatnią reakcję p.a.S., często z rozszerzonym naczyniem włosowatym w najbliższym otoczeniu. W mikroskopie elektronowym struktura guzków przypomina strukturę błony podstawnej. W postaci wysiękowej — również rzadkiej — w obrębie torebki kłębuszka (Bowmana) pomiędzy błoną podstawną a komórkami nabłonka stwierdza się wysięk utworzony przez substancję jednorodną, kwasochłonną, uformowaną w postaci skupień sferycznych lub kropli. Barwi się charakterystycznie dla fibrynoidu, zawiera cholesterol, triglicerydy i polisacharydy, ale nie zawiera kolagenu. Podobną substancję stwierdza się wewnątrz włośniczek, w których jest ona otoczona przez komórki śródbłonka. Zmiany w naczyniach włosowatych nerek kojarzą się często ze stwardnieniem tętniczek, niekiedy także z miażdżycą tętnic nerkowych i ich rozgałęzień. Z czasem doprowadzają do niewydolności tego narządu.