大部分受累家族中本病呈常染色体显性遗传方式，小部分符合常染色体隐性遗传方式。无家族史的散发病例可能由基因突变所致。本病的红细胞膜缺陷主要涉及红细胞骨架蛋白，造成骨架蛋白的不稳定性。受累细胞骨架蛋白包括谱蛋白合成障碍以及与谱蛋白膜整合有关的其他膜蛋白的质和/（或）量缺陷。目前已发现4种膜蛋白异常形式：单纯谱蛋白（α-谱蛋白或β-谱蛋白）缺乏、谱蛋白和锚连蛋白联合缺乏、带3蛋白缺乏和蛋白4.2缺陷。各亚型具有特定的基因突变及其编码蛋白的异常，这也是造成本病临床表现差异的病理生理基础。异常的细胞骨架蛋白不能为红细胞脂质膜提供足够的支持，从而造成细胞表面积减少，使红细胞不能维持正常的双凹盘形状而变为球形。球形红细胞的变形性降低，不易通过脾索内皮细胞间隙，扣留在脾脏被巨噬细胞吞噬破坏。上述为本病红细胞破坏的主要机制。遗传性球形细胞增多症红细胞骨架蛋白缺陷引起若干继发性代谢变化：穿膜钠和钾流增加，造成atp酶活性升高，导致atp的消耗、糖酵解率加快和2，3-二磷酸甘油酸浓度降低，后者可造成细胞内ph下降（细胞内酸中毒）。此外，脾脏对异常的球形红细胞还具有“调制”作用，使其渗透性脆性增加。上述作用的结果造成球形红细胞的变形性进一步降低，加速在脾内的破坏。
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