Do leukemije dolazi kada tijelo počinje sakupljati očigledno abnormalna bijela krvna zrnca. U tom procesu, smanjuje se količina zrelih krvnih zrnaca po broju i sposobnosti. Zrnca su abnormalna jer ne mogu sazrijeti po pravilima. Ta nesposobnost da se postigne zrelost je glavni defekt u leukemiji. Ta nezrela krvna zrnca se nakupljaju jer ne odumiru i ne mogu se istrošiti. Kada se pokrene leukemija, ćelije leukemije počnu se nakupljati u koštanoj srži. Eventualno se sva normalna crvena i bijela krvna zrnca, te trombociti istisnu ili se ne nadomjeste. Zdrava koštana srž se zamjenjuje nezrelim ćelijama koje se eventualno izliju u krv i raznose po tijelu. Prema tome, dok se nezrelih krvnih ćelija u krvi povećava, broj normalnih krvnih ćelija se smanjuje.

Leukemija se češće javlja kod bijele nego kod crne rase, a kod azijatske rase je skoro nepoznata odakle se može zaključiti da bolest zavisi od rasnih, genetskih i ambijentalnih faktora. Bolest najčešće zahvata djecu od 3-5 godina i odrasle osobe od 50-70 godina, iako se može javiti u svim drugim životnim dobima. Kod djece se javlja češće akutna leukemija, dok se kod starijih javlja pretežno hronična. Bolest češće javlja kod muškaraca nego kod žena. Bolest se gotovo uvijek javlja kod osoba koje su izložene djelovanju benzola duži vremenski period.