有關白血病發病機制的研究甚多，包括對分子遺傳改變、預后因素分子流行病學及藥物遺傳學等方面的研究推測有兩種可能即獲得性遺傳損傷可激活細胞的初始致癌基因或滅活腫瘤抑制基因(抗癌基因)，二者均可導致腫瘤監控能力丟失使白血病細胞失控性增殖。這些遺傳學上的改變可以為點突變、基因擴增、基因缺失或染色體易位。
染色體易位在許多白血病中可以見到。易位可隱藏一個基因到新的位置，使新的初始致癌基因變為啟動子或在其他獨特基因上成為增強因子。例如在t(8；14)這個染色體易位上免疫球蛋白重鏈基因的增強因子是與MYC基因接近的并列成分，導致Burkitts淋巴瘤。易位也可以發生在兩個基因之內導致基因重排和嵌合蛋白如在ALL和CML上發現的t(9；22)易位
混合白血病(mix linge leukemiaMLL)基因重排和11q23異常可以發生在淋巴系和髓系白血病如Ph染色體可以在Ph染色體陽性ALL的髓系或紅細胞系的早期細胞中檢出提示在ALL患者除淋巴系統外可累及多系造血干細胞。