孤独症的病因目前尚未完全明确，但研究表明可能与以下多方面因素相关。目前普遍认为遗传因素在孤独症的发病中占据重要地位，据相关研究显示，孤独症患儿的一级亲属中患孤独症及其他神经发育障碍性疾病的风险比普通人群高得多。
遗传因素方面
单基因遗传： 已发现多个单基因与孤独症相关，例如SHANK3基因等。如果家族中有孤独症患者，那么后代携带相关致病基因的概率会增加。据统计，约20% - 30%的孤独症患儿存在明确的遗传突变。多基因遗传： 孤独症是多基因参与的复杂疾病，多个基因的微小变异共同作用，再加上环境因素的影响，增加了发病风险。
环境因素方面
孕期环境因素： 母亲在孕期的一些不良因素可能影响胎儿神经系统发育从而增加孤独症风险。比如母亲孕期感染风疹病毒、巨细胞病毒等，有研究发现孕期感染这些病毒的孕妇所生婴儿患孤独症的概率比未感染的孕妇高。另外，母亲孕期接触有害物质，如铅等，也可能对胎儿神经系统产生不良影响。围产期因素： 早产、低出生体重等围产期并发症也与孤独症发病相关。早产儿发生孤独症的风险比足月儿高，低出生体重儿患孤独症的概率也相对较高。
神经生物学因素方面
大脑结构和功能异常： 孤独症患儿在大脑结构上存在一定异常，例如大脑某些区域的体积、神经元数量和连接等方面与正常儿童不同。在大脑功能上，也存在神经递质失衡等情况，如5 - 羟色胺、多巴胺等神经递质的代谢和功能可能出现异常，影响大脑的信息传递和神经发育，进而导致孤独症相关的症状出现。