Ocorre um acúmulo de precursores da linhagem mieloide ou linfoide, células conhecidas como blastos ou células jovens, que são incapazes de se diferenciar em células maduras, devido um bloqueio de maturação.
A doença inicia-se quando uma determinada célula progenitora ou precursora torna-se incapaz de se diferenciar, mas com capacidade de se dividir e multiplicar.
Quando as células hematopoiéticas se diferenciam, cada vez mais vão se comprometendo com uma determinada linhagem. Com isso, originam as células precursoras (mieloblasto, megacarioblasto, monoblasto, proeritroblasto, célula pré-T-precoce e célula pré-B-precoce), que em um determinando tempo, uma dessas células que se encontram em uma fase precoce de diferenciação, sofre uma transformação cancerosa, convertendo-se em um clone proliferativo, mas bloqueando a sua maturação.
As células jovens, infiltram na medula óssea e se acumulam, produzindo a supressão da formação, desenvolvimento e maturação das células sangüíneas normais.