Micronuclei ontstaan hoofdzakelijk uit acentrische chromosoomfragmenten of achterblijvende volledige chromosomen die niet worden opgenomen in de dochterkernen die bij mitose worden gevormd, omdat zij zich tijdens de scheiding van chromosomen in de anafase niet correct aan de spindel hechten. Deze volledige chromosomen of chromatidefragmenten worden uiteindelijk ingesloten door een kernmembraan en zijn structureel vergelijkbaar met conventionele kernen, zij het kleiner van omvang. Deze kleine kern wordt een micronucleus genoemd. De vorming van micronuclei kan alleen worden waargenomen in cellen die een celdeling ondergaan en kan duidelijk worden waargenomen met cytochalasine B om de cytokinese te blokkeren en zo een binucleaire cel te produceren.
Acentrische chromosoomfragmenten kunnen op verschillende manieren ontstaan. Eén manier is dat het niet herstellen van DNA-dubbelstrengbreuken kan leiden tot symmetrische of asymmetrische chromatide- en chromosoomuitwisselingen en chromatide- en chromosoomfragmenten. Als de DNA-beschadiging groter is dan de herstelcapaciteit van de cel, kunnen ongerepareerde dubbelstrengs DNA-breuken ook leiden tot acentrische chromosoomfragmenten. Een andere manier waarop excentrische chromosoomfragmenten kunnen ontstaan is wanneer defecten in genen die verband houden met homoloog recombinationeel herstel (bv. ATM, BRCA1, BRCA2 en RAD51) resulteren in een disfunctionele foutloze homologe recombinationele DNA-herstelroute en ertoe leiden dat de cel zijn toevlucht neemt tot de foutgevoelige non-homologous end-joining (NHEJ)-herstelroute, waardoor de kans op onjuist herstel van DNA-breuken, vorming van dicentrische chromosomen en acentrische chromosoomfragmenten toeneemt. Als enzymen in de NHEJ-herstelroute ook defect zijn, worden DNA-breuken mogelijk helemaal niet hersteld. Bovendien kan gelijktijdig excisieherstel van beschadigde of ongeschikte basen die zijn opgenomen in DNA dat zich in de nabijheid en op tegenover elkaar liggende complementaire DNA-strengen bevindt, leiden tot DNA-dubbelstrengsbreuken en micronucleusvorming, vooral als de hiaatvullende stap van de herstelroute niet wordt voltooid.
Micronuclei kunnen ook worden gevormd uit gefragmenteerde chromosomen wanneer nucleoplasmabruggen (NPB) worden gevormd, uitgerekt en gebroken tijdens de telofase.
Micronucleivorming kan ook het gevolg zijn van chromosoommalsegregatie tijdens de anafase. Hypomethylering van cytosine in centromerische en pericentromerische gebieden en herhalingen van hogere orde van satelliet-DNA in centromerisch DNA kunnen resulteren in dergelijke chromosomale verliesgebeurtenissen. Klassiek satelliet-DNA is normaal gesproken sterk gemethyleerd op cytosineresiduen, maar kan bijna volledig ongemethyleerd raken als gevolg van het ICF-syndroom (immunodeficiëntie-, centromeerinstabiliteits- en gezichtsanomalieënsyndroom) of na behandeling met DNA-methyltransferaseremmers. Aangezien de assemblage van kinetochore-eiwitten bij centromeren wordt beïnvloed door de methylering van cytosine en histon-eiwitten, kan een vermindering van de integriteit van heterochromatine als gevolg van hypomethylering interfereren met de aanhechting van microtubuli aan chromosomen en met de detectie van spanning van correcte microtubule-kinetochore-verbindingen. Andere mogelijke oorzaken van chromosoomverlies die tot de vorming van micronuclei kunnen leiden, zijn defecten in de kinetochore- en microtubule-interacties, defecten in de assemblage van de mitotische spindel, defecten in het controlepunt van de mitose, abnormale amplificatie van de centrosomen en fusies van telomere eindpunten die resulteren in dicentrische chromosomen die tijdens de anafase loskomen van de spindel. Micronuclei afkomstig van chromosoomverlies en acentrische chromosoomfragmenten kunnen worden onderscheiden met pancentromerische DNA-sondes.