La caratteristica genetica di tale sindrome è la presenza di un cromosoma X in eccesso, per cui la mappa cromosomica(o “cariotipo”) degli individui affetti è 47XXY, al posto del cariotipo normale 46XY. Nel 90% dei casi di sindrome di Klinefelter, siamo in presenza della forma classica (47XXY), mentre nel 10% dei casi si tratta di una forma cosiddetta “mosaico” con cariotipo 46XY/47XXY, meno grave rispetto alla forma classica, in quanto nello sperma di un uomo con tale sindrome sono presenti spermatozoi.