Etiologia i patogeneza Zespoły Waardenburga są spowodowane mutacjami w genach kodujących czynniki transkrypcyjne, mające wpływ na migrację melanocytów w embriogenezie. Czynniki transkrypcyjne zaangażowane w ten proces to PAX3, MITF i SOX10. Gen PAX3 we wczesnym okresie zarodkowym ma największą ekspresję w grzebieniu neuronalnym i w dermatomiotomach, z których powstają mięśnie i skóra. Heterozygotyczna mutacja w genie PAX3 spotykana jest u większości chorych (zespół Waardenburga typu I) choroby; mutacje w obydwu kopiach genu (stan homozygotyczny lub stan złożonej heterozygotyczności) warunkuje ciężką postać choroby, jaką jest zespół Waardenburga typu IV.
Heterozygotyczna mutacja genu MITF (micropthalmia-associated transcription factor) powoduje haploinsuficjencję genu. Czynnik transkrypcyjny MITF transaktywuje gen tyrozynazy w melanocytach, a zaburzenie jego funkcji leży u podłoża części przypadków zespołu Waardenburga typu II. Natomiast mutacja z utratą funkcji w genie MITF wywołuje zespół Tietza (OMIM 103500). W końcu, u małej grupy pacjentów z megacolon congenitum zidentyfikowano mutację w genie SOX10 na 22 chromosomie. Czynnik SOX10 tak jak czynnik PAX3 transaktywuje czynnik MITF.