目前本病的病因还不清楚，对其发病的神经生物学，遗传学机制仍在探索之中。
　　1、影像学与病理研究 脑部MRI检查证实孤独症患者脑部无脑萎缩及破坏性病变，脑体积无论是从大体病理或MRI所见反有增大。也有报道患儿小脑蚓部部分小叶变小，脑顶脑沟加宽，胼胝体后方变小等。有学者推测可能是在宫内胎龄30周之前的发育不良导致小脑细胞减少。虽然在临床表现孤独的患儿并无明显的小脑受累体征，但目前认为小脑功能在语言、注意力、认知与高级脑功能方面均具重要作用。目前虽未发现丘脑、底节、新皮质的病变，但已证实在边缘系统脑区神经细胞装密切增加。边缘系统加路异常与社会交往异常、多动或迟钝、注意力分散及学习因难等均有关。
　　2、化学病理研究 在孤独症患儿中有25%其血中5-羟色胺含量升高；部分病儿服用5-羟色胺摄取抑制剂如氟苯氧丙咪（tluoxetine抗抑郁药）有一定疗效。孤独症患儿伴多发性抽动（tics）者，多巴胺受体阻滞剂氟哌啶醇对之有效，由此说明可能在儿茶酚胺系统受累。阻断多巴胺5-羟色胺受体，对孤独症患儿的自残行为及迟发性运动障碍有效。另有作者认为，孤独症患儿内源性阿片肽类增加，可能是导致自残行为及其他孤独症样症候的原因。其作用可能直接通过5-羟色胺系统及间接通过下丘脑-神经内分泌径路。褪黑激素异常可能与本病患儿的睡眠障碍有关。
　　3、遗传与环境因素 孤独症伴随染色体异常者最多见脆性X综合征，孤独症男孩比女孩约有2%~5%伴脆性X，而男孩有脆性X者中，至少有15%符合DSM-III标准之婴儿孤独症，另外还有一些散在的其他染色体异常见于孤独症。现已证实单卵双胎的同病率很高，但并非100%，双卵双胎仅低于10%；单卵双胎虽然同病率高，但疾病程度可以显著不同，说明环境对遗传有影响。原发性孤独症家族再次出生孤独症的再现风险除较一般家族高出3%~7%，即使如此，仍低于孟氏单基因遗传家族25%或50%之再风险，因此孤独症可能是由多基因，可能三种基因所控制的疾病，各家系遗传方式不同，包括多基因显性、隐性遗传等，显性遗传家系绝大多数由父方遗传。
　　已经证实环境可以改变原发性孤独症的表型：约有30%孤独症小儿的父母发现其婴儿或幼儿正在经历社会交往、口头非口头交流、游戏及认知方面的严重下降趋势，很少有运动倒退，但多出现刻板动作。一般平均倒退年龄为18~24个月，极少数可在学龄前甚至学龄期（即整合功能障碍病），学龄期开始发病者预后差。倒退可表现为急性或在数周或数月中进行性发展。虽然倒退的发生并未找到肯定的促发因素，但确有一些患儿在发生倒退前过环境刺激因素，诸如患病、外伤、突然失去母爱，不适应新环境等等。有作者认为，对于环境应激是否易感也是由遗传决定的。