鐮狀細胞病是由于血紅蛋白的β珠蛋白鏈亞單位異常的基因遺傳所致，患者從 父母雙方得到兩個相同的異常血紅蛋白基因，即純合子，其紅細胞缺乏正常血紅蛋白(HbA)，而被異常血紅蛋白(HbS)所替代，稱為鐮狀細胞性貧血或鐮狀細胞病， 患者從 父母的一方得到一個異常血紅蛋白基因，即雜合子，其紅細胞含有正常和異常兩種血紅蛋白，但正常者占50%以上，稱為鐮狀細胞傾向(sicle cell trait)，鐮狀紅細胞的出現是由異常血紅蛋白分子聚合所致，可引起兩種主要現象：
1.慢性代償性溶血性貧血。
2.血管閉塞危象(vasooclusive crises)導致疼痛及組織損害。
異常血紅蛋白的β鏈第6位谷氨酸被纈氨酸取代后，在缺氧狀況下即發生鐮變，異常血紅蛋白分子聚合成聚合體，紅細胞由圓盤狀變成鐮刀狀，異常血紅蛋白百分率愈高鐮變愈嚴重，在某些誘因如細胞脫水和酸中毒時可使紅細胞鐮變加重。
紅細胞反復發生鐮變，導致細胞膜的損害，細胞內鉀離子及水漏出，則加重紅細胞脫水，胞內鈣離子積聚可使鐮狀細胞僵硬，成為不可逆性，這些紅細胞壽命縮短(10天左右)，易被網狀內皮系統破壞，導致溶血性貧血。
由于鐮狀紅細胞不易變形，在通過微循環時，血流淤滯，形成黏滯與鐮變惡性循環(vicous viscous sickle cycle)，最后使微循環阻塞，導致缺血及梗死，出現疼痛和組織損害，上述病變發生在腎臟則導致腎血管，腎小管及腎小球的明顯損害。