隨著分子生物學技術的發展，白血病的病因學已從群體醫學、細胞生物學進入分子生物學的研究。盡管許多因素被認為和白血病發生有關，但人類白血病的確切病因至今未明。目前在白血病的發病原因方面，仍然認為與感染，放射因素，化學因素，遺傳因素有關。
(1)病毒
早已證實C型RNA腫瘤病毒或稱逆轉錄病毒是哺乳類動物如小鼠、貓、牛、綿羊和靈長類動物自發性白血病的病因。這種病毒能通過內生的逆轉錄酶按照RNA順序合成DNA的復制品，即前病毒，當其插入宿主的染色體DNA中后可誘發惡變。進入體內的病毒基因可改變了基因的正常功能，有可能引起白血病。成人T細胞白血病肯定是由病毒引起的。
(2)遺傳因素
遺傳因素和某些白血病發病有關。近親結婚人群急性淋巴細胞白血病的發病率比期望值30倍。某些染色體有畸變、斷裂的遺傳性疾患常伴有較高的白血病發病率，如Down綜合征、先天性血管擴張紅斑癥(Bloom綜合征)和Fanconi貧血等。兒童急性淋巴細胞白血病患者50%有一種特殊掌紋，稱為Sydney線。對大多數白血病而言，白血病畢竟不是遺傳性疾病。
(3)放射因素
電離輻射有致白血病作用，其作用與放射劑量大小及輻射部位有關。一次較大劑量(1～9Gy)或多次小劑量均有致白血病作用。
全身和放射野較大的照射，特別是骨髓受到照射，可導致骨髓以致和免疫以致，照射后數月仍可觀察到染色體的斷裂和重組。放射線能導致雙股DNA可逆性斷裂，從而使細胞內致瘤病毒復制和排出。放射可誘發急、慢性非淋巴細胞白血病和慢性粒細胞白血病，但未見慢性淋巴細胞白血病，并且發病前常有一段骨髓抑制期，其潛伏期約為2～16年。
(4)化學因素
苯的致白血病作用比較肯定。苯致急性白血病以急性粒細胞白血病和紅白血病為主。烷化劑和細胞毒藥物可致繼發性白血病也較肯定，多數繼發性白血病是發生在原有淋巴系統惡性腫瘤和易產生免疫缺陷的惡性腫瘤經長期烷化劑治療后發生，乳腺癌、卵巢癌和肺癌化療后也易發生繼發性白血病。