巨幼红细胞性贫血主要是由于体内脱氧核糖核酸（DNA）合成障碍所引起的。
维生素B12和叶酸是DNA合成的重要材料，因此维生素B12和叶酸的缺乏是引起巨幼红细胞性贫血的主要原因。维生素B12缺乏常见于长期素食者以及消化性溃疡、胃切除、萎缩性胃炎、先天性内因子缺乏等胃肠道病变引起摄入不足所致，对乙酰氨基酚、二甲双胍等药物也可能引起维生素B12吸收障碍。而叶酸缺乏常见于烹调食物温度过高引起叶酸破坏，小肠病变、酗酒、某些药物、肝硬化等因素引起叶酸吸收和利用障碍所致，也可因为怀孕、甲亢等因素引起叶酸需求过多所致。
