21三体综合症主要是由于染色体异常导致，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21三体综合症患者体内第21号染色体变为3条，这一异常约95%是由于母亲卵细胞形成过程中减数分裂时染色体不分离所致，约5%是父亲精子形成过程中减数分裂时染色体不分离引起。
染色体不分离的具体情况
母亲方面： 母亲年龄是一个重要因素，随着母亲年龄增大，尤其是35岁以上的孕妇，卵细胞发生染色体不分离的几率明显增加。比如，在25 - 29岁孕妇中，21三体综合症的发生率约为1/1500，而40 - 44岁孕妇中，发生率可升至1/100左右，45岁以上孕妇发生率甚至高达1/30。父亲方面： 父亲精子形成过程中染色体不分离也会导致21三体综合症，但相对母亲因素来说，父亲因素引起的比例较低。不过，父亲年龄大于40岁时，精子发生染色体异常的概率也会有所上升。
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的，但如果家族中有过21三体综合症患儿，再次生育时，后代患病的风险会高于普通人群。有研究表明，若家族中有1个21三体综合症患儿，再次生育时胎儿患病风险约为1% - 2%，而正常人群的发病风险约为0.15% - 0.2%。平衡易位携带者： 如果父母一方是21号染色体平衡易位携带者，比如第14号染色体和21号染色体发生平衡易位，那么他们生育21三体综合症患儿的风险较高。这种情况下，携带者自身表型正常，但生育时，形成的配子中约有1/3的概率会携带异常染色体组合，导致胎儿患21三体综合症。
其他可能影响因素
环境因素： 一些环境因素可能会增加21三体综合症的发生风险。例如，孕妇在妊娠早期接触辐射，像接受过X线检查等，辐射可能会损伤卵细胞或精子的染色体，导致染色体不分离。另外，孕妇在妊娠早期接触某些化学物质，如苯、甲醛等有机溶剂，也可能对染色体产生不良影响，增加胎儿患21三体综合症的几率。不过，环境因素导致21三体综合症的具体机制还在进一步研究中，但已明确其有一定的影响可能性。