Os cromossomos são estruturas visíveis durante a divisão celular, formadas por DNA de fita dupla, herdado tanto da mãe quanto do pai, enrolado em torno de várias proteínas e condensado aproximadamente 10.000 vezes. Um homem saudável tipicamente possui 46 cromossomos, com os cromossomos sexuais X e Y, denotado como 46,XY. Na síndrome de Klinefelter, existe pelo menos um cromossomo X adicional. Este cromossomo X extra pode ter origem na mãe ou no pai. A causa principal deste excesso não é o estado de portador genético dos pais, mas sim a falha dos cromossomos em se separar corretamente (não disjunção) durante a formação dos óvulos ou espermatozoides.