克氏综合征是由于染色体异常导致的。
健康男性的染色体是46XY，克氏综合征患者的染色体是47XXY，比普通男性多了一条X染色体。这种染色体异常，通常是在胚胎形成的过程中发生的，在精卵结合过程中，如果细胞分裂出现异常，可能导致性染色体不分离，进而出现异常的XY或XX配子，它们与正常的X或Y配子结合，就会形成非整倍体胚胎，最终引起克氏综合征。
增多的一条性染色体会使男性睾丸不发育，或是让睾丸始终处于胚胎期状态，患者的睾丸体积较小，可能只有黄豆或花生大小，而且睾酮分泌少、没有正常的生精功能，成年后的生育和生活都存在困难。
随着医学技术的发展，目前可以通过补充雄激素的方式，促进患者的第二性征发育，改善其性功能，提高患者的社会适应能力和精神状态。对于有生育需求的患者，如果睾丸内可以找到正常精子，还可以通过辅助生殖技术获得遗传学上的后代。