เป็นที่เชื่อกันมานานว่ามีสาเหตุแรกเริ่มมาจากสาเหตุหนึ่งของอาการสำคัญทั้งสามอย่างของโรคออทิซึม โดยสาเหตุอาจเป็นในระดับพันธุกรรม ระดับสติปัญญา หรือระดับเซลล์ประสาท อย่างไรก็ดี ในภายหลังเริ่มเป็นที่สงสัยว่าโรคออทิซึมเป็นโรคที่สาเหตุซับซ้อน โดยอาการแต่ละด้านมีสาเหตุที่แตกต่างกันแต่เกิดและพบร่วมกันบ่อย เป็นต้น

โรคออทิซึมมีความสัมพันธ์กับพันธุกรรมเป็นอย่างมาก ถึงแม้พันธุศาสตร์ของโรคออทิซึมจะมีความซับซ้อน และยังไม่เป็นที่ชัดเจนว่าโรคเหล่านี้เกิดจากการกลายพันธุ์ตำแหน่งเดียวที่พบได้น้อย แล้วการกลายพันธุ์ตำแหน่งเดียวนี้ทำให้เกิดผลหลาย ๆ อย่างตามมา หรือ เกิดจากการกลายพันธุ์หลาย ๆ ที่ ที่แต่ละตัวมีโอกาสพบได้บ้าง แต่การเกิดพร้อม ๆ กันนั้นพบได้น้อย แล้วปฏิสัมพันธ์ระหว่างยีนหลาย ๆ ยีนนี้ทำให้เกิดอาการของโรค ความซับซ้อนนี้เกิดจากการที่ยีนแต่ละยีน ปัจจัยสิ่งแวดล้อม และการถ่ายทอดแบบอีพิเจเนติกส์ (ผลที่เกิดกับลักษณะแสดงออก ที่ถ่ายทอดได้ ที่ไม่ได้มาจากรหัสพันธุกรรม แต่มาจากปัจจัยอื่น ๆ ที่ควบคุมการแสดงออกของพันธุกรรม) ต่างมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างซับซ้อน การวิจัยด้วยการหาลำดับพันธุกรรมทั้งหมดของผู้ป่วยและญาติ ทำให้มีการค้นพบยีนหลาย ๆ ยีน ที่พบว่ามีความสัมพันธ์กับการเกิดโรคออทิซึม แต่เพียงเท่านี้ยังไม่สามารถสรุปได้ว่ายีนเหล่านี้เป็นสาเหตุของการเกิดโรค

การวิจัยกับฝาแฝดได้ผลว่าโรคออทิซึมมีค่าดัชนีการถ่ายทอดอยู่ที่ 0.7 และสำหรับโรคอื่น ๆ ในกลุ่มโรคออทิซึมสเปกตรัมมีค่าดัชนีการถ่ายทอดสูงถึง 0.9 คนที่มีพี่น้องเป็นโรคออทิซึมมีโอกาสเป็นโรคนี้มากกว่าคนทั่วไป 25 เท่า อย่างไรก็ดี ลักษณะการถ่ายทอดของพันธุกรรมโรคออทิซึมนี้ยังไม่เข้ากับการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมแบบยีนเดี่ยว (แบบเมนเดล) หรือเกิดจากความผิดปกติที่ตรวจได้ในระดับโครโมโซม แม้แต่โรคทางพันธุกรรมที่พบว่ามีความสัมพันธ์กับการเกิดออทิซึมสเปกตรัม ก็ยังไม่พบว่ามีโรคใดที่ทำให้เกิดโรคเหล่านี้ได้โดยจำเพาะ