PCOSの原因には諸説もあり、未だにはっきりとは解明はされていません。しかし現在のところは内分泌異常、卵巣の形態的変化、副腎の問題、遺伝子説、あるいは糖代謝の異常などが考えられています。
PCOSの診断基準は日本産婦人科学会によって明確に分類されているものの、その原因は単一ではなく複数の原因が重なり合っているとも言われています。
治療に関しても同様で、すべてのPCOS患者が同じ治療が有効とは限らずに、その病態によって治療法を慎重に見極めていく必要があるようです。
内分泌の不調和
視床下部〜下垂体〜卵巣というホルモン分泌過程の不調和が、多嚢胞性卵巣症候群の原因だと考えられています。PCOSでは血中LH（黄体形成ホルモン）が高値でFSH（卵胞刺激ホルモン）が正常範囲内であることが内分泌変化の中心です。
女性が排卵を起こすためには、視床下部、下垂体、卵巣という、それぞれの部位から正常にホルモン分泌が行なわれなければなりません。しかしPCOSではエストロゲン生産が低下して、アンドロゲン産出が亢進（たかまる）することが特徴となります。
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排卵までの女性ホルモンとPCOSの関係はPCOSとホルモンでも、イラスト付きで説明しています。
adrenarche（アドレナーキ）説
子供が成長する過程で、6〜8歳頃から大人になるきっかけとなるホルモンが分泌されるようになります。（アドレナーキ）
しかしこのホルモンが思春期を通して過剰に生産されると、多嚢胞性卵巣症候群の原因になると考えられています。
多嚢胞性卵巣症候群の症状の1つとして、男性ホルモンの高値、多毛化などがあげられますが、このアドレナーキ時期から分泌されるホルモンこそ、副腎由来するアンドロゲン（DHEAなど）なのです。
アンドロゲン
男性ホルモンの総称。主に男性の精巣から産出されますが、女性の副腎皮質や卵巣からも分泌されます。高アンドロゲン下では卵胞の発育障害が起こりやすく、卵の質も低下、あるいは着床率も低いと考えられています。
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女性の体内に分泌される男性ホルモンには副腎性のものと卵巣性のものと別けられますが、過剰分泌はいずれの場合も「排卵障害」の原因となります。男性ホルモンの卵巣性のものには「アンドロステンジオン」や「テストステロン」などがあげられます。
DHEA
デヒドロエピアンドロステロンの略語。卵巣性ではなく副腎から分泌される性ステロイドホルモン。女性ホルモンや男性ホルモンの製造に関わっています。同じく副腎性の男性ホルモンに、デヒドロエピアンドロステロンサルフェイト（DHEAS）があります。
多嚢胞性卵巣症候群の予備軍
思春期にアクネ（にきび）や多毛などの症状が通常よりも多く見られると、多嚢胞性卵巣症候群の予備軍とされることがあります。（その女性の卵巣を超音波診断で観察をすると、多嚢胞性が認められることも）
しかし婦人科系トラブルの症状が見当たらない若年女性が、定期的に婦人科を受診することは珍しいことです。そのため結婚して妊娠を望んだときに、始めて多嚢胞性卵巣症候群と診断されて不妊症という意識を持つことが多いようです。
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遺伝的要因説
多嚢胞性卵巣において、X染色体の構造や数に問題があるという報告があります。実際にPCO患者の姉妹や両親には、極端な多毛や肥満などの遺伝子的要因が見られることもあります。
欧米では男性化徴候を重視していて、多毛や肥満、声の低音化、にきび、陰核肥大などの出現率が高いですが、日本では正常上限程度の症例も多いようです。
多嚢胞性卵巣と肥満
一般的に肥満女性にはPCOSが多いこと知られていますが、PCOSと診断されない肥満女性にも排卵障害の確率が高いことが報告されています。
これは肥満が「アンドロゲン」の過剰産出を促進し、排卵率を下げてしまうことが原因と考えられます。またPCOSの治療後に妊娠した肥満女性が、流産率がやや高くなることが知られています。
インスリン抵抗性
多嚢胞性卵巣症候群において、インスリン抵抗性が関与していると以前から考えられています。実際にPCOS患者のインスリン抵抗性を調べてみると、血糖値や糖代謝に異常があるケースが多いことが報告されています。
血中に高濃度のインスリンが認められると、卵巣でのアンドロゲン生産を促進するとともに、肝臓では性ホルモン結合グロブリンのが抑制されて、テストステロン（男性ホルモン）の濃度が高まると考えられています。
近年PCOS患者において、積極的にインスリン抵抗性改善薬が使用されるようになってきています。インスリン感受性薬剤のメトホルミンは体重減少には効果はありませんが、排卵率を増加させることが報告されています。
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