角膜基质比身体其他结缔组织有较高的亲水性。这种对水的亲和力使角膜基质处于高渗状态，基质的亲水渗透压在正常角膜厚度时为40~50mmHg。当角膜水肿，厚度增加一倍时，渗透压大约下降至原来的1/3.如果角膜为脱水状态，吸收膨胀的倾向大幅度上升，因此可保持正常的水合状态。
睁眼时，角膜表面睡分持续蒸发，因而泪液呈高渗状态，，引起泪液膜对角膜的高渗梯度，使水从角膜吸出。正常角膜白天可轻度变薄，午后眨眼少时更明显。许多轻度或中度上皮水肿的患者，醒后视力很差，但视力很快改善。这是因为白天睁眼时角膜内水分不断蒸发而使角膜透明，视力提高。当上皮“衰弱”时，水肿比较重。
上皮和内皮具有屏障功能，阻止水分迅速渗入基质层内。上皮对抗液体渗入的能力比基质打2000倍，比内皮打200倍。这种功能有利于在基质内保留一定水分，且有主动的泵功能从基质中排出水分。因此上皮是一种最好的半透膜，其损伤可严重影响水合作用和视力。内皮可以阻挡前房的液体进入角膜基质。
角膜基质层约占95%的角膜厚度，所以测定角膜厚度能显示临床前期的角膜水肿。如角膜中央厚度超过0.70mm以上，则可认为已出现上皮水肿。角膜与内皮细胞的功能密切相关，内皮情况与炎症、外伤、手术、年龄及是否有营养不良等因素有关。这些情况下，细胞的生理储备低，易诱发明显的上皮水肿。
各种离子的浓度和渗透压的变化会影响角膜的水合作用。上皮的主要作用是限制盐和水分总泪液进入角膜基质，而排除实质层水分的功能主要在内皮。正常泪液膜和房水的渗透压略高于角膜基质，使基质层水分不断外移，有助于基质层保持脱水状态。
上皮和内皮的屏障功能和泵功能可对抗角膜水肿压。角膜内水分的蒸发起很少的作用。较低温度下，内皮泵功能下降，基质则易吸收水分膨胀。放于10oC以下湿房内的眼球，角膜代谢减低，厚度增加，呈水肿状态。复温后，角膜水肿减轻，可恢复正常厚度。这种复温后产生的温度逆转现象，在于内皮功能的恢复，若内皮功能已严重损伤，则温度逆转障碍。