Trong khoảng 95% trường hợp, có thêm một nhiễm sắc thể 21 (trisomy 21), hầu như luôn có nguồn gốc từ mẹ. Những người bị hội chứng này có 47 nhiễm sắc thể.
5% số người mắc hội chứng Down có số lượng nhiễm sắc thể bình thường là 46, nhưng có một nhiễm sắc thể 21 chuyển đoạn với nhiễm sắc thể khác (kết quả là nhiễm sắc thể bất thường vẫn được tính là 1).
Chuyển đoạn phổ biến nhất là t (14; 21), trong đó một phần của nhiễm sắc thể 21 được gắn với nhiễm sắc thể số 14. Trong khoảng một nửa số người có chuyển đoạn t (14,21), cả hai bố mẹ đều có karyotype điển hình, cho thấy sự chuyển đoạn này là mới. Ở nửa còn lại, bố hoặc mẹ (hầu như luôn là người mẹ), mặc dù bình thường kiểu hình, chỉ có 45 nhiễm sắc thể, một trong số đó là t (14; 21). Về mặt lý thuyết, cơ hội mà một người mẹ mang gen có con bị hội chứng Down là 1: 3, nhưng nguy cơ thực tế thấp hơn (khoảng 1:10). Nếu cha là người mang gen, nguy cơ chỉ là 1:20.
Sự chuyển đoạn phổ biến nhất tiếp theo là t (21; 22). Trong những trường hợp này, các bà mẹ mang gen có khoảng 1:10 nguy cơ có con bị hội chứng Down; nguy cơ ít hơn đối với người mang gen là bố.
Chuyển đoạn nhiễm sắc thể 21q21q, xảy ra khi nhiễm sắc thể 21 thêm vào một nhiễm sắc thể 21 khác, ít gặp hơn. Điều đặc biệt quan trọng là xác định xem cha mẹ là người mang gen hay là ở thể khảm, hay là chuyển đoạn 21q21q (ở thể khảm sẽ có một số tế bào bình thường và một số tế bào có 45 nhiễm sắc thể với sự chuyển đoạn 21q21q). Trong những trường hợp như vậy, mỗi con của một người mang gen chuyển đoạn sẽ bị hội chứng Down hoặc chỉ có một nhiễm sắc thể 21 (sau này không phù hợp với cuộc sống). Nếu cha mẹ là thể khảm, nguy cơ là tương tự, mặc dù những người này cũng có thể có con có nhiễm sắc thể bình thường.
Hội chứng Down thể khảm có lẽ là kết quả từ sự không phân bào (khi nhiễm sắc thể không di chuyển về 2 cực của tế bào) trong quá trình phân chia tế bào trong phôi. Những người mắc hội chứng Down thể khảm có hai dòng tế bào, một với 46 nhiễm sắc thể bình thường và một khác với 47 nhiễm sắc thể, bao gồm thêm một nhiễm sắc thể 21. Tiên lượng về trí tuệ và nguy cơ biến chứng y tế có thể phụ thuộc vào tỷ lệ tế bào trisomy 21 trong mỗi mô, bao gồm cả não. Tuy nhiên, trên thực tế, không thể dự đoán nguy cơ vì không thể xác định được karyotype trong mỗi tế bào trong cơ thể. Một số người bị hội chứng Down thể khảm có những dấu hiệu lâm sàng rất khó phát hiện và có thể có trí tuệ bình thường; tuy nhiên, ngay cả những người không được biết là thể khảm cũng có thể có những biểu hiện rất khác nhau. Nếu cha mẹ có dòng tế bào mầm là thể khảm trisomy 21, thì nguy cơ gia tăng đối với đứa trẻ thứ hai.
