Il gene più importante per l'insorgenza dei sintomi della sindrome è TBX1, un fattore di trascrizione che induce l'attivazione di altri fattori di trascrizione, particolarmente espresso nelle tasche branchiali III e IV, durante la vita embrionale, ciò spiega le modificazioni degli organi che origineranno in questa area (faccia, bocca, timo, cuore). TBX1 non è espresso nel cervello, quindi i danni cerebrali fanno presumere l'alterazione di qualche altro gene.