21三体综合症主要是由于染色体异常引起的，具体来说是人体细胞内第21号染色体多了一条。正常人体细胞的第21号染色体是2条，而21三体综合症患者体内第21号染色体变为3条，这种染色体数目畸变约有95%是由于母体卵细胞形成过程中减数分裂时染色体不分离所致。
染色体不分离的原因
母亲年龄因素： 母亲年龄是一个重要因素。随着母亲年龄的增大，尤其是35岁以上的孕妇，卵细胞发生染色体不分离的概率会明显增加。有研究表明，母亲年龄在35 - 39岁时，胎儿患21三体综合症的风险约为1/250；母亲年龄在40 - 44岁时，风险升至1/50左右；而母亲年龄大于45岁时，风险可高达1/30。父亲因素： 父亲的精子形成过程中也可能发生染色体不分离，但相对母亲来说，父亲因素导致的概率较低。不过，父亲年龄增大也会有一定影响，虽然不如母亲年龄的影响那么显著，但也不能忽视。
其他相关因素
遗传因素： 虽然大多数21三体综合症是散发的，但也有少数病例具有家族遗传倾向。如果家族中有过21三体综合症患儿的生育史，那么再次生育时胎儿患病的风险会高于普通人群。不过这种遗传因素导致的情况相对较少见。环境因素： 一些环境因素也可能对染色体产生影响，增加21三体综合症的发生风险。例如，孕妇在孕期接触某些化学物质，如苯、甲醛等，或者受到辐射等环境因素影响，可能会干扰生殖细胞的正常分裂，导致染色体不分离的发生概率增加。但环境因素导致21三体综合症的具体机制还在进一步研究中，不过可以确定的是环境因素是一个可能的影响因素。
疾病的发生机制与染色体的关系
21号染色体上携带了多种基因，由于多了一条21号染色体，就会导致基因剂量失衡。这些异常的基因表达会影响胎儿的生长发育过程，从而出现一系列21三体综合症的典型临床表现，如特殊面容（眼距宽、鼻梁低平、伸舌等）、智力低下、生长发育迟缓等多种症状。