患者的染色體核型常為47,XXY 。有些患者為46,XY/47,XXY的嵌合體。 核型47,XXY的形成，和配子形成減數分裂過程中，染色體不分離有關[1]。配子在減數分裂過程中出現染色體不分離，大約40%發生于父親，60%發生于母親。嵌合體形核型的發生，是由于精卵融合后的合子細胞在有絲分裂過程中的染色體不分離所致。此現象既能發生于核型為46,XY的正常合子細胞，也可發生于核型為47,XXY的異常合子細胞。
Klinefelter’s綜合癥患者最明顯的內分泌激素改變是血清FSH和LH水平明顯升高。其中，以FSH水平升高最為明顯，這提示睪丸曲細精管持久損害。在青春發育時期，其睪酮水平可以正常；在25歲左右，平均睪酮水平大約只有正常男性的一半。血清雌二醇水平和TeBG水平大約是正常男性的兩倍。雌二醇水平升高與男性的乳腺發育有關。青春期，由于LH水平代償性升高，可維持睪酮水平接近正常范圍，同時雌二醇水平增加。隨著睪丸功能進一步受損，睪酮和雌二醇的分泌隨之減少。最后，此類患者體內的雌二醇，完全來源于腎上腺雄激素在脂肪組織中芳香化酶的轉化。這種激素水平變化的結果，導致患者表現為一定程度的女性化和雄性化不足。乳腺發育是患者女性化的常見表現之一。血清雌二醇水平越高，睪酮水平越低，越容易發生男性乳腺發育。此類患者患者的另一個特點是曲細精管發生玻璃樣變性，導致精子生成障礙。這是染色體異常所致。