細胞遺傳學研究發現，在21號染色體長臂的21q22區有三體的個體，其臨床表現與唐氏綜合徵完全一樣，而相反，該區無三體的個體卻沒有這種典型症狀。據此推斷，21q22區域可能是唐氏綜合徵的遺傳關鍵區域，也被稱為唐氏綜合徵區域。唐氏綜合症患兒的核型可分為三種類型：
（1）標準型佔所有病例的95%。患兒有47條體細胞染色體，另有一條21號染色體，核型為47，XX（或XY），+21。
（2）易位型 佔所有病例的2.5%～5%，患兒共有46條染色體，多為Robertsonian易位，是發生在近端有絲分裂染色體的相互易位，多為D/G易位，D組中以14號染色體為主，即。即核型為46，XX（或XY），-14，+t（14q21q）；少數為15號染色體易位，這種類型的易位兒童約有一半是遺傳的，即。即在父母一代中有平衡易位染色體的攜帶者。另一種類型是G/G易位，這種類型不太常見，是由於G組的兩條21號染色體與有絲分裂融合，形成等臂染色體t（21q21q），或一條21號染色體向一條22號染色體易位。
（3）嵌合體表型佔該綜合徵的2%～4%。患兒有2個或更多的細胞株（其中2個最常見），一個正常，另一個為三體21。臨床表現的嚴重程度與正常細胞的百分比有關，可以從接近正常到典型的表型，三體21型細胞株的百分比越高，智力低下和畸形的程度就越大。
