Nguyên nhân chính của hội chứng Down là do sự không phân ly nhiễm sắc thể trong quá trình hình thành tế bào sinh dục (trứng hoặc tinh trùng). Khi một tế bào sinh dục chứa 24 nhiễm sắc thể thay vì 23 kết hợp với tế bào sinh dục bình thường khác, kết quả sẽ là một em bé có 47 nhiễm sắc thể. Sự không phân ly này có thể xảy ra ở cả bố và mẹ, nhưng thường gặp hơn ở người mẹ, đặc biệt là khi tuổi mẹ cao.
Ngoài trisomy 21, hội chứng Down cũng có thể xuất hiện do hai nguyên nhân khác ít phổ biến hơn: chuyển đoạn nhiễm sắc thể và thể khảm. Chuyển đoạn nhiễm sắc thể xảy ra khi một phần của nhiễm sắc thể số 21 gắn vào một nhiễm sắc thể khác. Thể khảm là tình trạng chỉ một số tế bào trong cơ thể có ba bản sao nhiễm sắc thể 21, trong khi các tế bào khác vẫn có số lượng nhiễm sắc thể bình thường.
Hội chứng Down không phải là bệnh di truyền từ bố mẹ sang con cái, nhưng nguy cơ mắc hội chứng này tăng lên đáng kể khi tuổi mẹ cao hơn 35. Việc hiểu rõ nguyên nhân và cơ chế di truyền của hội chứng Down sẽ giúp các gia đình có kế hoạch chăm sóc và hỗ trợ tốt hơn cho những đứa trẻ mắc hội chứng này.