孤独症是一种神经发育性障碍，与遗传综合征和染色体异常有关（Barbaresi et al.，2006）。即使其特定的遗传机制尚不清楚，估计其遗传力大于90%（Gupta＆State，2007）。有趣的是，高龄产妇与唐氏综合征和精神发育迟滞有关，而高龄父亲可能与孤独症的患病率增加有关（Reichenberg et al.，2006）。然而，就像我们不知道为什么高龄产妇与唐氏综合征有关一样，我们也不清楚为什么父亲高龄可能会导致孤独症。
孤独症神经发育基础的一个迹象是在生命最初几年快速发育的头部和大脑。后来被诊断为孤独症的儿童在出生时，头围在所有新生儿中处于第25百分位。在6到14个月的时候，头围与脑的大小达到第84百分位，远远超过了一般发育儿童的增长率（Bethea Sikich，2007；Courchesne＆Pierce，2005）。
除了增长率异常，诊断成像（MRI、fMRI和PET扫描）提供的数据表明至少有一些孤独症儿童的大脑中有微妙的结构性和组织性异常。特别受影响的是前扣带皮层，这个区域将言语信息和情感性语调及对重要他人面孔的观察信息整合。当被展示熟悉和重要的面孔图片时，显示没有孤独症的儿童前扣带皮层激活，而孤独症儿童前扣带皮层没有激活（Pierce et al.，2004）。这表明当孤独症儿童看到熟悉的面孔时不像正常孩子那样具有相同的神经化学反应。
孤独症儿童大脑活跃性差的另一区域是梭状回（Pierce et al.，2001）。这个区域对面部表情的识别很重要。该区域的严重不活跃与社交功能严重受损有关（Schultz et al.，2001）。这暗示了社交功能可能有生物学基础。如果负责识别面部表情的大脑区域不能很好地发挥功能，孩子将错失别人进行愉快社会交往时“自动”使用的社交线索。目前还不清楚治疗可否改变这种生物学缺陷。
目前在研究孤独症神经学基础方面有许多令人兴奋的新途径，但在它的起因上仍存在很多医疗误解。一种理论是，孤独症是由麻疹—腮腺炎—风疹联合疫苗造成的（见“证据检验：疫苗导致孤独症？”）。另一种没有实证支持的理论是孤独症由硫柳汞（疫苗中含汞的防腐剂）引起。为什么在没有证据支持的情况下这种理论仍能发展？原因之一是家长在不顾一切地搜索孤独症成因的解释时，往往会误解或过度解读研究数据。尽管目前证据不足，一些家长拒绝让自己的孩子接种预防儿童医学疾病的疫苗，他们认为这样做可能会导致自己的孩子身体残疾，如失明、精神发育迟滞甚至死亡。
纵观历史，也存在孤独症病因的心理学误解。20世纪五六十年代，心理学理论提出“冰箱母亲”（父母对他们的婴儿没有情感反应）会导致孤独症（Klin，2006）。20世纪70年代，当人们认识到孤独症的根源在于神经生物学方面时，这种理论被否定。父母在孤独症儿童的早期发现和治疗中起到了关键作用（见治疗部分），他们不是导致孤独症的原因。
对比观看熟悉人与陌生人的面孔，正常人与孤独症患者大脑都会产生活动。然而，将两组进行对比会发现，正常人有更强的脑活动并且活动的脑区域更多。