21三体综合征主要是由染色体异常导致的，正常人体细胞有23对染色体，而21三体综合征患者第21号染色体多了一条，发生率约为新生儿的1/700~1/600。
染色体不分离
生殖细胞减数分裂时：在卵细胞形成过程中，若减数分裂Ⅰ后期21号染色体不分离，就可能产生含有两条21号染色体的卵细胞，受精后就会形成21三体综合征的胚胎。例如，随着孕妇年龄增大，卵细胞老化，减数分裂发生不分离的概率会增加，35岁以上孕妇生育21三体综合征患儿的风险明显升高。受精卵有丝分裂时：受精卵在有丝分裂过程中，如果21号染色体发生不分离，也会导致部分细胞有三条21号染色体，从而引发21三体综合征。不过这种情况相对少见。
遗传因素
亲代染色体平衡易位：如果父母中有一方是21号染色体平衡易位携带者，比如染色体核型为45,XX(XY),-21,+t(21q21q)，那么他们生育21三体综合征患儿的风险较高。这种平衡易位染色体在减数分裂时会产生异常配子，受精后就可能形成21三体综合征的胎儿。家族遗传倾向：虽然大部分21三体综合征是散发性的，但如果家族中有过21三体综合征患儿，再次生育时的复发风险会比普通人群高一些。不过总体来说，家族遗传导致的21三体综合征相对较少见。
环境因素
辐射暴露：孕妇在妊娠早期如果受到较大剂量的辐射，如接触X射线等电离辐射，会增加胎儿发生21三体综合征的风险。因为辐射可能会损伤生殖细胞或受精卵的染色体，导致染色体不分离等异常情况发生。化学物质接触：长期接触一些化学物质，像苯及其衍生物、农药等，也可能对染色体产生影响，增加胎儿患21三体综合征的可能性。例如长期处于有农药污染环境中的孕妇，其胎儿发生染色体异常的风险可能会升高。