Pour 80 % d’entre elles, les maladies rares sont d’origine génétique ; cela signifie qu’elles sont causées par une ou plusieurs altérations d’un gène (maladie monogénique) ou de plusieurs gènes (maladie polygénique), cas le plus courant. La plupart des maladies génétiques sont héréditaires, c’est-à-dire transmises aux descendants par les gènes altérés des ascendants selon un mode bien déterminé.

Mais quelques-unes ne le sont pas : elles sont dues à un accident génétique lors de la conception de l’embryon (ex. : syndrome de Williams Beuren), ou sont acquises durant la vie embryonnaire ou fœtale (ex. : certaines malformations congénitales).

Quelques maladies rares, comme l’atrophie optique de Leber (1/50 000), sont dues à des mutations du génome des mitochondries, organites intracellulaires ; on parle de maladies mitochondriales. Des aberrations chromosomiques peuvent être aussi en cause (ex. : syndrome de Turner, syndrome d’Angelman). D’autres maladies rares sont dues à la production d’auto-anticorps selon un mécanisme inconnu (ex. : syndromes myasthéniques : 1/20 000).

Restent des maladies déterminées par des facteurs externes : bactéries ou virus (ex. : endocardite infectieuse, 1/40 000), facteurs toxiques environnementaux provoquant maladies allergiques ou dégénératives.

Souvent, des facteurs génétiques de susceptibilité (prédisposition) sont impliqués et la cause exacte demeure mystérieuse, comme pour la forme sporadique, la plus fréquente, de la maladie de Creutzfeldt-Jakob, une maladie neurodégénérative rare dont une variante infectieuse a été découverte à la fin des années 1990.