Secara patofisiologi, micropenis dapat terjadi akibat ketidakseimbangan atau abnormalitas hormon yang berperan dalam perkembangan panjang penis. Pemahaman mengenai patofisiologi micropenis dimulai dari proses perkembangan seksual anak sejak masa intrauterine.

Diferensiasi seksual terjadi saat trimester pertama atau saat usia kehamilan 8–12 minggu. Pada masa ini, janin masih memiliki duktus genital laki-laki dan perempuan. Sex-determining region of the Y region (SRY) memegang peranan penting dalam diferensiasi seksual laki-laki, dengan membentuk testis. Bila tidak ada gen SRY maka ovarium akan terbentuk.[1-3]

Pada masa awal kehamilan, human chorionic gonadotropin (hCG) plasenta akan menstimulasi sel Leydig untuk menyekresi hormon androgen atau testosteron. Testosteron selanjutnya akan dikonversi menjadi dihidrotestosteron (DHT), yang berfungsi untuk menstimulasi karakteristik seksual laki-laki (maturasi kantung skrotum, pertambahan panjang penis, dan perkembangan ukuran testis).[1-3]