SOP é uma síndrome heterogênea com a participação de múltiplos mecanismos fisiopatológicos, entretanto, o quanto cada um contribui para gerá-la ainda permanece desconhecido. A etiologia genética pode estar associada, uma vez que há uma maior frequência da síndrome em mães e irmãs de pacientes com SOP. Entretanto, o modelo de hereditariedade permanece incerto e desconhecido. Entre os mecanismos fisiopatológicos propostos, estão:
a) resistência à insulina, ocasionando hiperinsulinemia. A insulina age diretamente nos receptores de insulina nos ovários, aumentando a produção de andrógenos por estímulo da 17-hidroxilase e aumento da produção de IGF-1, que também estimula a síntese de andrógenos e inibe a aromatase, diminuindo a conversão de andrógenos a estradiol. A insulina ainda diminui a produção hepática da globulina ligadora de hormônios sexuais (SHBG), aumentando a porção livre da testosterona;
b) defeito primário neuroendócrino, ocasionando aumento da frequência de pulso e amplitude do LH, estimulando as células da teca a aumentarem a produção de andrógenos. Estes são convertidos em estrógenos nas células da granulosa ou nos tecidos periféricos. O estrogênio estimula a hipófise a manter liberação do LH e, promove feedback negativo na liberação de FSH. Com isso, ocorre uma maturação incompleta dos folículos;
c) alteração no metabolismo do cortisol, diminuindo o retrocontrole central sobre a secreção de ACTH e, logo, seu aumento. Com isso resulta em maior estímulo adrenal à produção de andrógenos. Além disso, a insulina potencializa a produção de andrógenos pelas adrenais, mediada pelo ACTH.