Dovuto alla difettosa produzione dell'enzima 21-idrossilasi, derivato dai surreni, questo comporta una disfunzione della ghiandola surrenale. L'enzima 21-idrossilasi appartiene alla famiglia dei citocromi P450 e converte il 17-OH-Progesterone in 11-Deossicortisolo, precursore del cortisolo. Come tutti i citocromi, l'enzima accetta elettroni dal citocromo P450 reduttasi NADH-dipendente, riducendo l'ossigeno molecolare e idrossilando il substrato. La CYP-21 umana è costituita da 494 aminoacidi, con un peso molecolare di 55 kDa. Il deficit da questo enzima comporta la deviazione della sintesi ormonale verso quei metaboliti che non richiedono tale enzima per la loro sintesi, come testosterone, androstenedione, estrogeni, estrone ed estradiolo. La mancanza di CYP-21 determina inoltre accumulo dei composti intermedi, come il 17-idrossi-progesterone. L'ipofisi, che funziona come una centralina di regolazione ormonale, registra l'assenza in circolo di cortisolo e produce ACTH (ormone adrenocorticotropo), la quale stimola le ghiandole surrenali a cominciare le tappe di produzione del cortisolo. Un eccesso di ACTH porterà accumulo di 17-idrossi-progesterone, dal quale derivano gli androgeni (ormoni sessuali maschili). Ulteriori difetti enzimatici possono essere la compromissione della sintesi di aldosterone, utile al mantenimento dell'omeostasi del sodio, con conseguente perdita di sale, squilibrio idroelettrolitico con ipovolemia e shock. L'eccesso di androgeni in entrambi i sessi si manifesta con accelerazione della maturità ossea, acne, irsutismo, fino ad avere virilizzazione.