脆性X染色體綜合征的病因是脆性X智力低下基因1(fragile X mental retardation gene1，FMR-1)位于X染色體的長臂遠端Xq27.3區的脆性部位，含17個外顯子和16個內含子，全長38kb。在基因的5'非翻譯區存在一段數目可變的(CGG)n重復序列，其上游250bp處存在-CpG島。正常人群FMR-1基因(CGG)n重復次數在5～50之間。 FMR-1基因內(CGG)n重復序列的不穩定性擴增及CpG島的異常甲基化是導致脆性X染色體綜合征的分子機制。
FMR-1基因突變有三型：中間突變、前突變和完全突變。中間突變(CGG)n重復數在40～60之間，前突變(CGG)n重復數在50～200之間，兩者CpG島均無異常甲基化，FMR-1基因表達正常或基本正常，脆性X染色體綜合征個體常無異常表型或具有輕微的行為問題。(CGG)n重復數超過200時為完全突變，常伴有CpG島異常甲基化，使FMR-1 mRNA的翻譯受抑制，從而造成臨床癥狀。另外，FMR-1基因編碼區發生缺失或錯義點突變盡管少見，也將引起脆性X智力低下蛋白(fragile X mental retardation protein, FMRP)表達異常或者產生不同功能的FMRP，從而形成類似的脆性X染色體綜合征的臨床癥狀。
脆性X染色體綜合征的遺傳機制比較復雜。FMR-1基因是一個不穩定的致病突變，前突變不會致病，但有發展成全突變基因的潛能。而全突變基因出現異常甲基化，該基因滅活后，男性會發病，女性則依據正常基因所在染色體隨機滅活的程度而表現出不等的外顯率。脆性X染色體綜合征的原因是正常男性傳遞者所具有的fra X基因，實際可能處于前突變階段，故其女兒雖獲得該基因，表型仍是正常的。但其女兒在胚胎發育和卵細胞發育過程中，可使CGG重復序列進一步增加而形成全突變，因而傳遞給男孩時，男孩即發病，傳遞給女孩時將產生女性攜帶者。