在人类认识孤独症的早期，曾以为这是一种由于后天的社会环境导致的单纯性心理－精神性疾病，但经过多年的研究探索，已经基本否定了这种“后天环境致病”的论点。
通过目前已有的许多研究，已经找出孤独症患者的大脑中有几项异常，但对造成这些异常的原因以及这些异常对患儿行为的影响仍不清楚。孤独症患者大脑的异常可以分为两种：大脑神经结构异常和体内生化反应异常。
大脑神经结构的异常
研究者们在对孤独症患者的遗体做解剖后发现，他们大脑叶缘中的杏仁核和海马体两个区域发展不完全，而这两个区域分别主管人的情绪、攻击性、感知觉输入和学习，研究中同时发现，小脑中的Purkinje细胞有不足的情况。透过断层扫描，发现孤独症患者的小脑蚓叶第六和第七区域比正常人的小。有趣的是，也有几个孤独症患者的这两个区域比正常人的大，而这两个区域被认为可能和注意力有关联。
体内生化反应的异常
从生化功能方面看，与一般人比较，许多孤独症患者血液和脑脊液中的血清素含量较高，而其他成分却比较低。值得一提的是，其他的障碍如唐氏综合征、注意力不集中、过动症等也同样有血小板值不正常的情况。同时也有证据显示，某些孤独症患者有较高的恩多芬（beta-endorphins），这是一种人体内部产生的类似吗啡的物质。研究者推断说，当一个人对疼痛的耐受程度较高时（很多孤独症儿童表现出对疼痛不敏感），可能是因为恩多芬值较高。
免疫系统的失常也可能和孤独症有关。有人认为病毒感染和环境中的毒素可能造成免疫系统失调。研究显示，孤独症患者的T一细胞（T—cells）的数量比较少。
