目前孤独症的病因仍不明了，有关学者对孤独症的病因开展了极为广泛的研究，越来越多的证据表明，生物学因素（主要是遗传因素）和胎儿宫内环境因素，在孤独症的发病中有重要作用，成为目前病因研究的热点。其他因素包括感染免疫因素、营养因素等。综合有关研究，目前认为孤独症是由于外部环境因素（感染、宫内或围生期损伤等）作用于具有孤独症遗传易感性的个体所导致的神经系统发育障碍性疾病。
发病机制：
近50多年来，很多学者从不同的科学领域进行了孤独症的发病机制和病理的探讨，提出了以下几个方面的观点：
心理因素：最初报道孤独症时，不少学者认为这是儿童与父母之间交往存在缺陷所致，目前研究推翻了这个假说。目前公认孤独症最基本的临床症状是社会交流障碍，有些研究提出这种障碍是因为情感方面的原因，另一些研究则提出了认知的假说，即孤独症儿童认知能力的损害，使其在思维或思考他人的想法时有障碍，或大脑的”执行功能”有缺陷，总之，在心理因素方面，可能是多个因素的共同作用引起孤独症的种种临床症状。
生物学机制：
遗传因素：Rutter等在1968年的研究发现，孤独症的同胞患病率为2%～3%，高于一般人群的50～100倍。August等于1981年发现孤独症患儿的同胞中，患有其他认知障碍如智能迟缓、语言障碍、学习障碍的人数高达6%～24%。近年来还有一些研究发现那些无大脑损害，神经体征或其他生物因素的孤独症儿童，其中71%有一级或二级轻度患情感障碍的家族史。此外，染色体研究方面，如Schroer等发现15号染色体长臂近端的缺失和复制；Cook等发现孤独症患者的γ-氨基丁酸A型（GABA-A）受体的亚单位基因即GABRB3 155CA-2位于15q11-13上，认为该基因的位点与功能与孤独症有关。
出生缺陷和神经发育异常：孤独症儿童常有发育延迟，神经系统检查中发现一些原始反射持久不消失，多种神经系统软体征和脑电图异常，其中3/4患儿智能发育迟缓，1/4患儿可发生癫痫，其他如结节性硬化症、苯丙酮尿尿症、脆性X综合征、Rett综合征伴发孤独症也较多见。
实验室研究
神经生理学：
大脑半球优势障碍：对高功能孤独症成人的神经心理测试中发现许多功能障碍，诸如技能运动、复杂的记忆和语言等，但记忆、简单的记忆和语言、视觉空间功能良好，从而证明孤独症有复杂信息处理的某些缺陷，多见于左侧大脑半球，很少见于右侧大脑半球。
两侧颞叶病变：症状严重、脑功能低下的孤独症儿童呈现极重度的认知缺陷，其原因可能是两侧颞叶近中部位的病变。有研究报道个别患儿在学习语言之前，因持续性癫痫而造成两侧海马硬化。
生物化学：有一研究对7名孤独症男孩使用5-羟色胺前体α-C11-甲基色氨酸作PET影像学检查，发现5名男孩的大脑左半球额叶、顶叶、颞叶、神经节和丘脑的5-羟色胺合成较低，而大脑右半球则合成正常，小脑显示对侧右齿状核部位5-羟色胺合成增加，这表明左侧大脑的功能障碍。另有研究发现孤独症儿童脑内5-羟色胺的产生远比正常儿童少。