恶性脑肿瘤的形成与遗传因素、电离辐射、病毒感染以及基因突变与细胞异常增殖有关，遗传因素使有家族史人群患病概率升高，长期电离辐射损伤细胞DNA致细胞生长失控，某些病毒感染可干扰细胞功能致瘤，原癌基因激活、抑癌基因失活打破细胞调控致细胞异常增殖形成肿瘤。
电离辐射
长期暴露于电离辐射环境下是恶性脑肿瘤的重要致病因素之一。例如，接受头部放疗的患者，在放疗后的若干年后，患脑胶质瘤等恶性脑肿瘤的风险明显增加。电离辐射能够损伤细胞的DNA，导致基因发生突变或断裂。如果细胞的DNA修复机制不能完全修复这些损伤，就可能引起细胞生长失控，进而发展为肿瘤。不同年龄阶段的人群对电离辐射的敏感性有所不同，儿童对电离辐射更为敏感，同等剂量的辐射暴露下，儿童患恶性脑肿瘤的风险可能更高。
病毒感染
某些病毒感染也与恶性脑肿瘤的形成有关。例如，EB病毒与中枢神经系统淋巴瘤的发生存在一定关联。病毒感染人体后，会将自身的基因整合到宿主细胞的基因组中，干扰细胞的正常生物学功能。病毒基因的整合可能会激活原癌基因或抑制抑癌基因，从而导致细胞的增殖和分化异常，逐渐形成肿瘤。不同生活方式的人群，如经常接触病毒感染源的人群，感染相关病毒的概率较高，患恶性脑肿瘤的风险也相应增加。
基因突变与细胞异常增殖
正常细胞内存在原癌基因和抑癌基因，它们共同维持细胞的正常生长、分裂和分化。当原癌基因发生激活突变或过量表达，以及抑癌基因发生失活突变时，会打破细胞正常的调控机制。例如，p53基因是一种重要的抑癌基因，当p53基因发生突变时，其对细胞增殖的抑制作用减弱，细胞就可能不受控制地增殖。随着时间的推移，异常增殖的细胞不断积累，逐渐形成恶性脑肿瘤。不同病史的人群，如本身患有其他肿瘤且接受过化疗等可能导致基因损伤治疗的人群，其细胞发生基因突变的概率增加，患恶性脑肿瘤的风险也会升高。
