白血病發生通常有兩種機制，一種依賴于原癌基因或者具有原癌基因特性的混合基因的激活，由此產生的蛋白產物影響細胞功能，另一個機制是一種或多種抑癌基因的失活，如p53和INK4a，編碼p16和p19ARF，p53作為一種抑癌基因，使DNA受損后無法修復的細胞走向凋亡，MDM-2原癌基因是p63基因的拮抗劑，其過度表達能夠阻止野生型p53的功能，在白血病中已發現有這兩種基因的異常，p16和p19ARF負性調節細胞周期，減少進入S期細胞的比例，因此，不能阻止白血病細胞增殖或是能阻止其程序化死亡，則失去腫瘤抑制功能，p15和p16同源性缺失在20%～30%的B細胞前體ALL以及60%～80%的 T-ALL中能被測到，研究證實，p15/p16缺失在ALL復發時經常可以見到，提示這種缺失基因編碼的蛋白在疾病發展中作用。
ALL的基本病理變化主要表現為白血病細胞的增生與浸潤，此為白血病的特異性病理變化，除造血系統外，其他組織如肝臟，腦，睪丸，腎臟等組織亦出現明顯浸潤和破壞。
1.骨髓，淋巴結，肝，脾 是最主要的累及器官。
骨髓大多呈明顯增生，白血病細胞呈彌漫性片狀增生及浸潤，伴不同程度的分化成熟停滯，全身骨髓均有白血病細胞增生浸潤，椎骨，胸骨，盆骨及肋骨的浸潤最為明顯，少數患者骨髓增生低下，可伴程度不一的纖維化。
淋巴結腫大較為多見(約70%)，一般為全身性或多發性的淋巴結腫大，淋巴結被累及的早期，淋巴結結構尚可辨認，白血病細胞往往僅累及淋巴結的某一區域，出現片狀均一性幼稚細胞增生浸潤，淋巴索增寬，竇變窄，初級濾泡或次級濾泡受擠壓而萎縮，晚期淋巴結結構完全破壞。
脾臟均有不同程度腫大，鏡下白髓有白血病細胞彌散浸潤，可波及紅髓及血竇，肝內白血病細胞主要浸潤門脈區及門脈區周圍，造成肝大。
扁桃體，胸腺也常被侵及，ALL胸腺受累占78.5%，其中以T-ALL最常見，被浸潤的胸腺增大，臨床表現為縱隔腫塊，尤其兒童T-ALL時腫大較為顯著。
2.神經系統 ：神經系統是白血病浸潤的常見部位，ALL合并中樞神經系統損害較其他類型白血病多見，病理改變主要為腦膜及腦實質白血病細胞的局限性或廣泛性浸潤，可伴有出血，血腫，脊髓膜炎及硬膜外腫物形成的橫段性脊髓炎，蛛網膜下隙受侵常見，腦實質的累及部位依次為大腦半球，基底節，腦干及小腦，病變部位白血病細胞呈彌散性或結節狀浸潤，浸潤周圍白質組織明顯水腫和壞死，大約20%的中樞神經系統白血病(CNS-L)患者有腦神經麻痹，以面神經(Ⅶ)麻痹最多見，其次為外展(Ⅵ)，動眼(Ⅲ)，滑車(IV)神經，而脊髓及周圍神經受累罕見。
3.泌尿生殖系統 ：ALL侵犯睪丸較為常見，特別是兒童ALL，睪丸間質中可見大量白血病細胞浸潤，壓迫精曲小管引起萎縮，臨床表現為睪丸單側或雙側無痛性腫大，墜脹感，白血病細胞浸潤陰莖海綿體或因白血病細胞在靜脈竇內淤積，栓塞，血流受阻或血栓形成時可引起陰莖持續異常勃起，ALL累及腎臟者，腎包膜下可見灰白色斑點或結節以及出血點，腎盂出血點也較常見，皮，髓質散在灰白色小結節，鏡下見皮，髓質散在或灶性白血病細胞浸潤，腎小球及腎小管上皮受壓萎縮或變性壞死。
4.其他： 肺臟為白血病常累及的臟器之一，浸潤病變大多彌散，少數形成粟粒狀，甚至結節狀病灶，可侵及肺泡，肺小血管及間質，白血病浸潤最常累及支氣管旁淋巴結，可引起壓迫，也可累及胸膜，呈不同程度的彌漫性浸潤，出現胸腔積液；口咽部也是ALL易侵犯的部位之一，并常合并感染；白血病累及心臟以心肌浸潤為主，心肌，肌束間彌漫性及灶性浸潤，導致傳導障礙，心力衰竭，心外膜及內膜均可累及，出現心包積液，浸潤胃腸道可形成結節，潰瘍，壞死及出血，以黏膜及黏膜下層為主，有時可發生黏膜剝脫和假膜形成，病變腸段可因壞死而穿孔，從賁門至直腸均可累及，侵及食管者較少，皮膚受侵典型的改變為位于血管周圍，毛囊和皮脂腺的白血病細胞浸潤，形成單個或多個結節，呈局灶性分布。
白血病由一個造血祖細胞或干細胞惡變而來的理由為：
①幾乎所有ALL的白血病細胞均有免疫球蛋白(Ig)或T細胞受體(TCR)基因重排的克隆表達。
②同一病人的所有白血病細胞具有同樣的細胞遺傳學異常，6-磷酸葡萄糖脫氫酶(G-6PD)同工酶型及免疫表型。
③多數獲完全緩解(CR)的病人復發時，其白血病細胞基因型及表型再現診斷時的克隆。
白血病細胞大量增殖和正常造血細胞抑制的確切機制尚未確定，但生長因子，正常和白血病細胞的生長因子受體，以及生長因子受體的反應性對二類細胞的增殖和抑制有重要作用，生長因子受體或從細胞膜傳至細胞核的生長因子轉錄信號，均有白血病細胞表達的癌基因所編碼，有人觀察到白血病細胞可產生集落刺激因子(CSF)，此可能和白血病細胞無限增殖有關，幾種正常的CSF在體外對白血病克隆細胞均有刺激作用，周圍血紅細胞，血小板減少，骨髓中白血病細胞占絕對優勢是急性白血病常見的血液學特征，推測由于正常造血干細胞被白血病細胞排擠所致，但部分病人骨髓增生低下，難以用白血病細胞排擠解釋，認為是白血病細胞通過細胞介導或體液機制抑制正常造血細胞，后證實白血病細胞浸出物或培養基中有一種抑制性活性物質，特異性地抑制處于DNA合成期的正常祖細胞集落形成單位(CFU-C)，多種淋巴細胞白血病的白血病細胞表面有大量白細胞介素-2受體(IL-2R)，其可能作為封閉因子阻斷IL-2與正常活化的淋巴細胞結合，影響正常淋巴細胞的活性及淋巴因子的釋放，從而有利于白血病細胞的增殖。