Genellikle otizmin beyin yapısındaki veya işlevlerindeki anormalliklerden kaynaklanıldığına inanılmaktadır. İnsan ve hayvan beyin gelişimi çeşitli yeni araştırma araçları kullanılarak değerlendirerek, bilim adamları normal beyin gelişim ve bozuklukların nasıl oluştuğu hakkında daha çok şeyler keşfetmektedirler.
Fetusun beyini gebelik boyunca gelişir. Birkaç hücre ile başlayarak, bu hücreler büyüyüp gelişerek, nöron adı verilen milyarlarca beyin hücresine dönüşürler. Bir süre sonra beynin belirli alanları belirli işlevler için anahtar rol alırlar. Nöronlar göç sonrası yerlerine yerleşir yerleşmez, çevresindeki nöronlara bağlanmak için uzun fiberler gönderirler. Bu yolla, beyinin diğer alanları ve vücut bölgeleri arasında iletişim sağlanır. Her bir nöron nörotransmitter adı verilen kimyasallar yoluyla aldığı sinyali bir sonraki nörona aktarırlar. Doğuma kadar beyin işlevleri farklı olan alanlara ayrılır, bu alanların herbirinin işlevleri ve sorumlulukları çok önemlidir.
 
Beyinin farklı bölümleri farklı işlevlere sahiptir:

•Hipokampus:
 son yaşantıları ve yeni bilgiyi hatırlama imkanı sağlar (bellek işlevi)
• Amigadala: duygusal tepkilerimi yönlendirir.
• Beyinin frontal lobları: problem çözme ileriye dönük plan yapma, başkalarının davranışlarını anlama, dürtülerimizi kontrol etme işlevleri vardır.
• Parietal loblar: işitme, konuşma ve dili kontrol eder.
• Beyincik: denge, vücut hareketleri, koordinasyon ve konuşma sırasında kasların hareketlerini düzenler.
• Korpus kallozum: bilginin beyinin bir tarafından diğer tarafına geçişini sağlar.
 
 
Beyinin gelişimi doğumla durmaz. Beyin yaşamın ilk bir kaç yılında değişmeye devam eder. Yeni nörotransmitterler etkin hale gelir ve iletişim için yeni yolaklar oluşur. Dil, duygu ve düşünce süreçlerinin temelinin oluşturan nöral ağlar için temel oluşur ve şekillenir.

           Buna karşın, bilim adamları normal beyin gelişimine birçok sorunun engelleyici etkisi olabileceğini bildirmektedir. Hücreler beyinde yanlış bir yere göçebilir. Veya nöral yolaklardaki veya nörotransmitterlerdeki sorunlardan dolayı iletişim ağının bazı kısımlarının işlemesinde sorunlar olabilir. İletişim ağındaki bir problem nedeniyle duyusal bilgi, düşünceler, duygular ve eylemleri koordine etmekte başarısızlık olabilir.

Araştırmacıların bir kısmı gelişen beyinde ne gibi anormallikler oluştuğunu incelerken, diğerleri otizmli beyinde şu anda saptanan anormallikler üzerinde durmaktadır. Bilim adamları limbik sistemi de araştırmaktadırlar. Limbik sistemin yapılarından biri olan amigdala sosyal ve duygusal davranışı düzenlemekte yardımcı olmaktadır. Yüksek işlevli otizmli çocuklarla yapılan bir çalışmada , bunlarda amigdala’da anormallik olduğu fakat hipokapmusun sağlam kaldığı gözlenmiştir. Başka bir çalışmada amigdala’sı doğumda hasara uğratılmış maymunlar izlemeye alınmış, bunlarda otizmli çocuklar benzer şekilde fiziksel olarak büyümüşler, fakat artan tarzda çekilme ve sosyal ilişkiden kaçma görülmüştür.

Sinir sisteminin kimyasal ulakları olan nörotrnsmitterlerindeki farklılıklar da araştırılmıştır. Bir çok sayıdaki otizmli bireyde nörotransmitter olan serotonin  düzeyinde yükseklikler bulunmuştur. Nörotransmitterlerin beyin ve sinir sisteminde impulsların iletiminden sorumlu olduğunun saptanmasından sonra, bu çocuklarda duyusal distorsiyonun olabileceği düşünülmektedir.

Manyetik Rezonans görüntüleme ile yapılan çalışmalarda, özgün mental görevler sırasında beyindeki belirli bölgelerdeki enerji değişimi incelenmiş. Problem çözme ve dil görevleri sırasında, ergen otistiklerde otizmi olmayanlara oranla daha az beyin aktivitesi olduğu gözlenmiştir. Küçük çocuklarla yapılan bir çalışmada pariyetal bölgelerde ve korpus kallozumda düşük aktivite düzeyleri saptanmıştır. Bunun beyinin belirli bölgelerinin bir sorun olduğunu veya impulsların beyinin bir bölgesinden diğer bir bölgesine geçişinde sorunlar olduğunu düşündürtmektedir.

Yukarıda sayılan problemlerin herbiri bütün otizmli bireylerde gözlenmez. Bu otizmin herbireyde beynin farklı bölgelerden kaynaklanan sorunlardan kaynaklandığını düşündürebilir. İleride otizmin biyolojik temellerinin kesin olarak saptanması tedavi ve korunma yöntemlerini daha iyi belirleyecektir.