90%多囊腎患者的異常基因位於16號染色體的短臂，稱為多囊腎1基因，基因產物尚不清楚。另有10%不到患者的異常基因位於4號染色體的短臂，稱為多囊腎2基因，其編碼產物也不清楚。兩組在起病、高血壓出現以及進入腎功能衰竭期的年齡有所不同。本症確切病因尚不清楚。
儘管大多在成人以後才出現症狀，但在胎兒期即開始形成。囊腫起源於腎小管，其液體性質隨起源部位不同而不同，起源於近端小管，囊腫液內成分如Na+、K+、Cl-、H+、肌酐、尿素等與血漿內相似;起源於遠端則囊液內Na+、K+濃度較低，Cl-、H+、肌酐、尿素等濃度較高。
多囊腎患者的腎小球囊內上皮細胞異常增殖是多囊腎的顯著特徵之一，處於一種成熟不完全或重發育狀態，高度提示為細胞的發育成熟調控出現障礙，使細胞處於一種未成熟狀態，從而顯示強增殖性。上皮細胞轉運異常是多囊腎的另一顯著特徵，表現為細胞轉運密切相關的Na+-K+-ATP 酶的亞單位組合，分佈及活性表達的改變;細胞信號傳導異常以及離子轉運通道的變化。
細胞外基質異常增生是多囊腎第三種顯著特徵。目前許多研究已證明：這些異常均有與細胞生長有關的活性因子的參與。但關鍵的異常環節和途徑尚未明瞭。總之，因基因缺陷而致的細胞生長改變和間質形成異常，為本病的重要發病機制之一。
