21三体综合症主要是由于染色体异常引起的，具体来说是在减数分裂形成生殖细胞时，或受精卵有丝分裂过程中，21号染色体发生不分离，导致胚胎体细胞内多了一条21号染色体。据统计，大约95%的21三体综合症是由于卵细胞在减数分裂时21号染色体不分离所致，另外约5%是由于精子在减数分裂时21号染色体不分离引起。
染色体不分离的原因
母亲年龄因素：
高龄产妇风险高：随着母亲年龄的增加，卵子发生过程中染色体不分离的概率会显著上升。比如，25 - 29岁女性生育21三体综合症患儿的概率约为1/1250，而40 - 44岁女性该概率会升至1/100左右，45岁以上女性则高达1/30左右。这是因为随着女性年龄增长，卵子老化，染色体分离机制出现问题，更容易发生21号染色体不分离。
父亲精子因素：
父亲年龄也有影响：虽然父亲年龄对21三体综合症的影响相对母亲较小，但父亲年龄过大时，精子形成过程中也可能出现染色体不分离情况。一般来说，父亲年龄超过40岁，其精子中21号染色体不分离的概率会有所增加，但总体相比母亲年龄的影响程度要低一些。
其他可能因素：
环境因素的潜在影响：一些环境因素可能会增加21号染色体不分离的风险。例如，长期接触辐射、某些化学毒物等。不过，这类环境因素导致21三体综合症的具体机制还不是完全明确，但有研究表明长期处于高辐射环境工作的人群，其生育21三体综合症患儿的可能性可能会比普通人群略高，但这种影响相对母亲年龄等因素来说不是主要的。
遗传因素相关：
家族遗传倾向：虽然大部分21三体综合症是散发性的，但也有少数家族存在一定的遗传倾向。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21三体综合症的风险会比普通人群高。不过这种遗传倾向相对较少见，大多数情况下还是以散发的染色体不分离情况为主。