21三体综合征主要是由于染色体异常导致的，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21三体综合征患者的第21号染色体变成了3条，这种染色体数目畸变约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：
高龄产妇风险高：母亲年龄越大，发生卵细胞减数分裂时染色体不分离的概率越高。一般来说，母亲年龄大于35岁后，胎儿患21三体综合征的风险会明显增加。比如，25 - 29岁孕妇生育21三体综合征患儿的概率约为1/1500，而40 - 44岁孕妇生育该病患儿的概率可高达1/100左右。
父亲因素：
父亲精子异常也有影响：虽然父亲精子形成过程中染色体不分离的情况相对母亲较少，但父亲年龄过大等因素也可能导致精子染色体异常。有研究发现，父亲年龄超过40岁时，其精子发生染色体不分离的概率也会有所上升，从而增加胎儿患21三体综合征的风险。
其他因素：
遗传易感性：虽然大部分21三体综合征是散发的，但也有少数有家族遗传倾向。某些家族中可能存在一些遗传因素，使得个体更容易出现染色体不分离的情况。另外，一些环境因素，如长期接触放射性物质、化学毒物等，也可能增加染色体不分离的发生概率，但这种情况相对较少见。不过，目前明确的主要还是染色体本身的异常导致，其中母亲年龄因素是较为重要的一个方面。