La causa della sindrome fu individuata nel 1963 dal medico e genetista Jérôme Lejeune: essa risiede nella delezione parziale del cromosoma 5. Nella maggior parte dei casi tale delezione è un evento "de novo"; solo il 5% dei casi invece è ereditato da genitori in cui sono avvenute traslocazioni cromosomiche bilanciate. Il 90% delle delezioni "de novo" si genera sul cromosoma di derivazione paterna. I sintomi e i fenotipi che ne derivano dipendono dal frammento cromosomico deleto, in particolare il "pianto del gatto" mappa nella regione 5p15.3, mentre le caratteristiche facciali mappano in una regione più prossimale, 5p15.2. La regione 5p15.2 è considerata la regione critica della sindrome.