在遺傳上，結腸直腸癌代表一種復雜的疾病，并且遺傳改變通常與從惡變前病變（腺瘤）到侵襲性腺癌的進展相關。Vogelstein和Fearon已經表征了導致從腺瘤性息肉向明顯惡性腫瘤轉化的分子和遺傳事件的序列。 

早期事件是APC（腺瘤性息肉病基因）的突變，其首次在患有家族性腺瘤性息肉病（FAP）的個體中發現。由APC編碼的蛋白質在癌基因c- myc和細胞周期蛋白D1 的激活中是重要的，其驅動惡化表型的進展。雖然FAP是一種罕見的遺傳性綜合征，僅占結腸癌病例的1％左右，但APC突變在散發性結直腸癌中非常常見。

除了突變之外，諸如異常DNA甲基化的表觀遺傳事件還可以引起腫瘤抑制基因的沉默或癌基因的激活。這些事件損害了遺傳平衡并最終導致惡性轉化。

結腸癌發生中的其他重要基因包括KRAS致癌基因，染色體18雜合性缺失（LOH）導致SMAD4（DPC4）失活，以及DCC（結腸癌中缺失）腫瘤抑制基因。染色體臂17p缺失和影響p53腫瘤抑制基因的突變賦予對程序性細胞死亡（凋亡）的抗性，并且被認為是結腸癌發生中的晚期事件。

結腸直腸癌的一個子集的特征在于缺失的DNA錯配修復。該表型與諸如MSH2，MLH1和PMS2的基因突變有關。這些突變導致所謂的高頻微衛星不穩定性（H-MSI），其可以用免疫細胞化學測定法檢測。H-MSI是遺傳性非息肉病性結腸癌綜合征（HNPCC，Lynch綜合征）的標志，約占所有結腸癌的6％。在約20％的散發性結腸癌中也發現了H-MSI。