孤獨症是一種神經發育性障礙，與遺傳綜合征和染色體異常有關（Barbaresi et al.，2006）。即使其特定的遺傳機制尚不清楚，估計其遺傳力大於90%（Gupta＆State，2007）。有趣的是，高齡產婦與唐氏綜合征和精神發育遲滯有關，而高齡父親可能與孤獨症的患病率增加有關（Reichenberg et al.，2006）。然而，就像我們不知道為什麼高齡產婦與唐氏綜合征有關一樣，我們也不清楚為什麼父親高齡可能會導致孤獨症。
孤獨症神經發育基礎的一個跡像是在生命最初幾年快速發育的頭部和大腦。後來被診斷為孤獨症的兒童在出生時，頭圍在所有新生兒中處於第25百分位。在6到14個月的時候，頭圍與腦的大小達到第84百分位，遠遠超過了一般發育兒童的增長率（Bethea Sikich，2007；Courchesne＆Pierce，2005）。
除了增長率異常，診斷成像（MRI、fMRI和PET掃瞄）提供的數據表明至少有一些孤獨症兒童的大腦中有微妙的結構性和組織性異常。特別受影響的是前扣帶皮層，這個區域將言語信息和情感性語調及對重要他人面孔的觀察信息整合。當被展示熟悉和重要的面孔圖片時，顯示沒有孤獨症的兒童前扣帶皮層激活，而孤獨症兒童前扣帶皮層沒有激活（Pierce et al.，2004）。這表明當孤獨症兒童看到熟悉的面孔時不像正常孩子那樣具有相同的神經化學反應。
孤獨症兒童大腦活躍性差的另一區域是梭狀回（Pierce et al.，2001）。這個區域對面部表情的識別很重要。該區域的嚴重不活躍與社交功能嚴重受損有關（Schultz et al.，2001）。這暗示了社交功能可能有生物學基礎。如果負責識別面部表情的大腦區域不能很好地發揮功能，孩子將錯失別人進行愉快社會交往時「自動」使用的社交線索。目前還不清楚治療可否改變這種生物學缺陷。
目前在研究孤獨症神經學基礎方面有許多令人興奮的新途徑，但在它的起因上仍存在很多醫療誤解。一種理論是，孤獨症是由麻疹—腮腺炎—風疹聯合疫苗造成的（見「證據檢驗：疫苗導致孤獨症？」）。另一種沒有實證支持的理論是孤獨症由硫柳汞（疫苗中含汞的防腐劑）引起。為什麼在沒有證據支持的情況下這種理論仍能發展？原因之一是家長在不顧一切地搜索孤獨症成因的解釋時，往往會誤解或過度解讀研究數據。儘管目前證據不足，一些家長拒絕讓自己的孩子接種預防兒童醫學疾病的疫苗，他們認為這樣做可能會導致自己的孩子身體殘疾，如失明、精神發育遲滯甚至死亡。
縱觀歷史，也存在孤獨症病因的心理學誤解。20世紀五六十年代，心理學理論提出「冰箱母親」（父母對他們的嬰兒沒有情感反應）會導致孤獨症（Klin，2006）。20世紀70年代，當人們認識到孤獨症的根源在於神經生物學方面時，這種理論被否定。父母在孤獨症兒童的早期發現和治療中起到了關鍵作用（見治療部分），他們不是導致孤獨症的原因。
對比觀看熟悉人與陌生人的面孔，正常人與孤獨症患者大腦都會產生活動。然而，將兩組進行對比會發現，正常人有更強的腦活動並且活動的腦區域更多。