21三体综合征主要是由染色体异常导致的，具体来说，是人体细胞第21号染色体多了一条。正常人体细胞的染色体是23对（46条），而21三体综合征患者的第21号染色体变成了3条，约占新生儿染色体病的60%。
染色体畸变的原因
母亲卵细胞异常
年龄因素： 母亲年龄是一个重要因素。随着母亲年龄的增长，卵子发生过程中染色体不分离的几率会增加。例如，25岁女性生育21三体综合征患儿的风险约为1/1300，而35岁时风险上升到1/350，40岁时则高达1/100左右。卵子发育异常： 在卵子形成的减数分裂过程中，第21号染色体可能未能正常分离，导致卵细胞中多了一条21号染色体。
父亲精子异常
父亲生殖细胞突变： 父亲的精子形成过程中，如果第21号染色体发生不分离等异常情况，也可能使受精卵中出现额外的21号染色体。虽然父亲年龄对21三体综合征的影响相对母亲较小，但也有一定关联，随着父亲年龄增加，精子发生染色体异常的概率也会有所上升。
遗传因素相关情况
家族遗传倾向
虽然大多数21三体综合征是散发的，但也有少数家族存在一定的遗传倾向。如果家族中有过21三体综合征患儿，再次生育时，后代患该病的风险会高于普通人群。不过这种遗传倾向并不是绝对的显性遗传等典型模式，而是相对的风险增加。
隐性遗传相关
从遗传学角度看，21三体综合征属于染色体数目异常的疾病，不同于单基因遗传病的典型遗传方式，但在家族中如果存在某些染色体相关的易位等情况，可能会增加后代发病的风险。例如，平衡易位携带者（如罗伯逊易位）的父母，其生育21三体综合征患儿的风险比正常人群高很多。这种平衡易位可能在家族中传递，导致后代出现染色体数目异常的情况。
环境因素的影响
化学物质接触
孕妇在怀孕期间接触某些化学物质可能会增加胎儿患21三体综合征的风险。比如长期接触苯、甲醛等化学毒物，这些物质可能会损伤生殖细胞的染色体，导致染色体发生畸变。有研究表明，长期处于化工污染环境中的孕妇，胎儿患染色体异常疾病包括21三体综合征的概率会有所升高。
辐射因素
孕妇接受大剂量的辐射照射，如在放射科工作或接受过放疗等情况，辐射可能会引起生殖细胞的染色体断裂、重组等异常，从而增加胎儿发生21三体综合征的可能性。一般来说，孕妇腹部接受超过一定剂量的辐射（如大于100毫西弗），就可能对胎儿染色体产生不良影响。