Các bất thường ADN có thể xảy ra tự phát hoặc do ảnh hưởng từ những tác nhân gây hại cho tế bào (ví dụ, tia xạ, các chất gây đột biến, virut). Một số biến thể được sửa chữa nhờ cơ chế sửa lỗi DNA có sẵn trong tế bào. Tuy nhiên, một số biến thể không thể được sửa chữa ở giai đoạn này và có thể được truyền sang các tế bào được sao chép sau đó; trong những trường hợp như vậy, biến thể này được gọi là đột biến. Tuy nhiên, con cái cũng có thể bị đột biến khi các tế bào sinh dục bị ảnh hưởng. Các đột biến có thể là duy nhất đối với một cá nhân hoặc gia đình. Hầu hết các đột biến là hiếm gặp.
Đa hình bắt đầu từ 1 hoặc nhiều đột biến ở cá thể và sau đó được di truyền cho con cái. Đó là những bất thường của DNA đã trở nên phổ biến trong dân số (tỉ lệ gặp ≥ 1%) thông qua nhân bản sai sót hoặc các cơ chế khác. Hầu hết đa hình đều ổn định và không thay đổi đáng kể kiểu hình. Một ví dụ thường gặp là nhóm máu người (A, B, AB, và O).
Đột biến (bao gồm đa hình) liên quan đến sự thay đổi ngẫu nhiên trong DNA. Nhiều đột biến có ít ảnh hưởng đến chức năng của tế bào. Một số đột biến có thể thay đổi chức năng tế bào, thường theo hướng có hại và một số có thể gây chết tế bào. Ví dụ về những thay đổi bất lợi trong chức năng tế bào là đột biến gây ung thư bằng cách tạo ra hoặc kích hoạt gen gây ung thư hoặc thay đổi gen ức chế khối u (xem Bất thường phân tử). Hiếm khi, sự thay đổi chức năng của tế bào mang lại ưu thế sinh tồn. Những đột biến này có nhiều khả năng được nhân bản. Đột biến gây ra bệnh hồng cầu hình liềm tạo ra khả năng kháng bệnh sốt rét. Sự đề kháng này mang lại ưu thế sinh tồn ở những vùng có sốt rét đặc hữu mặt khác thường gây tử vong. Tuy nhiên, do gây ra các triệu chứng và biến chứng của bệnh hồng cầu hình liềm, đột biến này cũng có những tác động có hại thường biểu hiện ở trạng thái đồng hợp tử.
Khi và ở những đột biến kiểu tế bào nào có thể giải thích một số dị thường nhất trong các mô hình di truyền. Thông thường, một bất thường về tính trạng trội trên nhiễm sắc thể thường sẽ có ở một hoặc cả hai bố mẹ của một người mắc bệnh. Tuy nhiên, một số bệnh di truyền trội trên nhiễm sắc thể thường có thể xuất hiện cách thế hệ (ở những người có cha mẹ mang một kiểu hình bình thường). Ví dụ: khoảng 80% số người mắc chứng lùn loạn sản sụn không có tiền sử gia đình mắc chứng lùn và do đó đây là những đột biến mới (de novo). Ở nhiều người, cơ chế là một đột biến tự phát xảy ra sớm trong cuộc đời phôi thai. Do đó, các con khác không có nguy cơ bị rối loạn tăng lên. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, rối loạn phát triển do đột biến ở tế bào sinh dục ở cha mẹ (ví dụ, một gen trội trên nhiễm sắc thể thường ở một phụ nữ bình thường kiểu hình). Nếu vậy, con khác có nguy cơ nhận di truyền đột biến.