C'est une maladie génétique autosomale dominante mais qui s'observe également dans des formes sporadiques dans les deux tiers des cas.
Deux gènes sont ciblés : TSC1 situé au niveau du locus q34 du chromosome 9 codant la protéine hamartine et TSC2 situé au niveau du locus p13.3 du chromosome 16 codant la protéine tubérine.
Ces mutations sont diverses (plusieurs centaines de types décrits). Les mutations du gène TSC1 sont plus fréquentes dans les formes familiales.
Dans près de 20% de cas (formes moins sévères), aucune mutation n'est détectée. Il s'agit peut être d'une forme mosaïque de la maladie.
L'hamartine et la tubérine sont présentes dans toutes les cellules. Le dimère, formé par ces deux protéines, régule la croissance et la prolifération cellulaire. Les mutations à l'origine de cette maladie causent une activation permanente de ces protéines.