ATL的发生与人类T细胞白血病病毒Ⅰ型(HTV-Ⅰ)感染有关，患者血清HTLV-Ⅰ检查阳性。高发区是日本Kyushi岛的南部，此处居民10%～15% HTLV-Ⅰ抗体阳性，其他地方的发病率很低。如何把日本高发区和其他地区的发病联系起来还不清楚。
研究表明宿主易感性和(或)共同的环境条件与HTLV-Ⅰ感染有关，家族成员HTLV-Ⅰ抗体阳性率是无关正常人群的3～4倍。在抗体阳性、临床正常的患者血清中可分离出HTLV-Ⅰ病毒。
HTLV-Ⅰ感染后尚需长时间潜伏期才可能最终导致少数人罹患ATL这本身说明ATL发病的复杂性。迄今尚未最终阐明ATL的发病机制，诸多资料表明，ATL发病可能与以下机制有关。
1、调节蛋白Tax 在HTLV-Ⅰ原病毒末端
存在一种长末端重复序列(LTRs)，LTRs含有病毒的调节部分，包括启动子序列，由U3、R和U5(独特3′端、重复、5′端)序列所组成。Tax主要功能是通过5′-LTR序列反式激活HTLV-Ⅰ的转录功能从而调节病毒复制，其激活病毒和细胞基因的转录至少通过两个不同的宿主转录因子途径，分别涉及CAMP反应成分蛋白，激活转录因子(ATF)及转录因子NF/κB/C-Rel家族。
Tax在ATL发病中可能存在以下作用
①激活IL-2启动子及IL-2Rα亚单位，刺激T细胞自主分泌生长，甚至启动T细胞永生化的形成，
终至ATL的发生
包括IL-2和IL-2Ra、c-fos、c-jun和甲状旁腺激素相关蛋白(PTHrP)。ATL细胞释放出这些细胞因子，可引起一系列的病理表现：IL-2和IL-2Ra可导致T细胞的活化和增殖，获得自律性生长;PTHrP可刺激破骨细胞，使患者表现为高钙血症;c-fos基因可能参与T细胞的增殖。
②Tax能加速细胞增殖周期中G1期的进展并促进其进入S期，表达Tax的细胞增殖周期变短。细胞生长动力学增快，这与HⅡⅣ一Ⅰ相关疾病的发生可能有关;
③Tax介导的NF-κB活性改变。在肿瘤发生中可能有一定作用。
2、HTLV-Ⅰ感染者免疫功能降低
Tax可使激活转化因子β1，(TGFβ1)表达水平升高，而后者对人细胞及体液免疫起抑制作用。HTLV-Ⅰ感染细胞后，可出现由病毒编码的新的HLA-Ⅰ和HLA-Ⅱ抗原决定簇，导致免疫功能紊乱，机体防御能力下降，为肿瘤的发生、发展创造了条件。
3、癌基因激活和抗癌基因失活
尽管HTLV-Ⅰ并不编码癌基因，但顺式激活机制仍可存在。如Tax可激活c-fos基因，表明高效能反式活化蛋白Tax可能与起动恶性转化有关。
另一个继发性事件是p53的突变。p53是核磷酸蛋白，具有抑癌基因之作用。p53因突变致活性丧失在许多恶性疾病中均已发现，ATL也不例外。许多急性ATL患者均检出p53突变，而慢性ATL患者则极少出现这一突变现象。有资料表明，p53突变与ATL发病有一定关联。但最近Portis等研究后认为，p53基因功能失活并不引起肿瘤发生，但可能有促进肿瘤晚期恶性增殖效应。
外周血中可见许多花瓣样或多形核淋巴细胞(花细胞)。这类淋巴细胞大小不等，细胞核呈多形性改变，扭曲、畸形或分叶状，核凹陷较深，呈二叶或多叶，或呈棒球状、手套状、折叠呈花瓣状，故也称花细胞。细胞化学染色可见过氧化酶阴性，酸性磷酸酶及β葡萄糖醛酸酶阳性。免疫标记检查证实花细胞为成熟T淋巴细胞。
皮肤损害多为大量异常淋巴细胞浸润所致。2/3皮肤病变患者存在局灶性表皮浸润和Pautrie微小脓肿。此外，在淋巴结、肝脏、脾脏、肺部、胃肠道也可出现大量异常淋巴细胞浸润，表现为相关脏器肿大及功能障碍。
ATL出现大量异常淋巴细胞浸润与血浆中血管内皮生长因子(VEGF)水平增加有关。资料表明，ATL细胞系表达VEGF mRNA，并分泌到细胞外环境中。同时，ATL细胞系也表达VEGF受体Flt-1(fms样酪氨酸激酶-1)的mRNA和蛋白，而VEGF仅能与Flt-1表达细胞有效结合，致使ATL细胞趋化活性增强，造成ATL细胞浸润组织和器官。