Żółtaczka powstaje wskutek odkładania nadmiernych ilości bilirubiny w skórze, twardówkach (białkówkach) oczu i błonach śluzowych. Bilirubina jest żółtym barwnikiem występującym we krwi osób zdrowych. W warunkach prawidłowych jej stężenie wynosi 0,5 — 1,0 mg na 100 ml (9-17 /mmol/1). Żółte zabarwienie powłok staje się zauważalne, gdy stężenie to przekracza 2 — 2,5 mg na 100 ml (34 — 43 mmol/l).
Bilirubina powstaje głównie z rozpadu hemoglobiny — barwnika zawartego w krwinkach czerwonych. Proces ten zachodzi przede wszystkim w śledzionie, wątrobie i szpiku jako wyraz niszczenia starzejących się krwinek czerwonych. Zdrowa wątroba sprawnie wychwytuje bilirubinę i wydala ją wraz z żółcią do jelit. Pod wpływem bakterii jelitowych bilirubina podlega pewnym przemianom, które prowadzą do powstania innej barwnej substancji nadającej charakterystyczny kolor kału.
Przy nadmiernej produkcji bilirubiny — spowodowanej masowym, patologicznym niszczeniem krwinek czerwonych, czyli ich hemolizą — nawet w pełni zdrowa wątroba nie jest w stanie wychwycić i wydalić barwnika. Powstaje żółtaczka, nazywana żółtaczką hemolityczną.
Żółtaczka może być również wynikiem mechanicznego utrudnienia lub zablokowania odpływu żółci z wątroby do jelit. Jest to tzw. żółtaczka mechaniczna, najczęściej wywołana obecnością kamieni w głównych drogach żółciowych, zwężeniem tych dróg z powodu zapalenia lub ucisku z zewnątrz.
Jeśli przyczyną żółtaczki są choroby miąższu wątroby (stłuszczenie, ostre i przewlekłe zapalenia, marskość), które powodują upośledzenie wychwytywania i wydalania bilirubiny — żółtaczka nazywana jest żółtaczką miąższową.
W rzadkich przypadkach zdarza się, że produkcja bilirubiny jest prawidłowa, wątroba jest zasadniczo zdrowa, odpływ żółci z wątroby do jelit jest swobodny, a mimo to występuje żółtaczka. Żółtaczkę taką nazywamy żółtaczką czynnościową, au jej podłoża leżą zaburzenia enzymatyczne komórek wątrobowych.