Gilberts syndrom skyldes en mutasjon i genet som koder for glucuronyl transferase. Det finnes flere typer av glucuronyl transferase, og den vanligste mutasjonen affiserer uridindifosfatglucuronosyl transferase isoform 1A1 (UGT1A1). Mutasjonen fører til en 30–50 % nedsatt aktivitet av enzymet, og dermed redusert konjugering av bilirubin. Konjugering er nødvendig for å gjøre bilirubinet vannløselig slik at det kan skilles ut med gallen. Ukonjugert bilirubin hoper seg opp i blodet, og når en jevn konsentrasjon på mellom 20–90 µmol/L (vanlig er <20 µmol/L). Denne opphopningen fører til en mild gulfarging av kroppens bindehinner (hud, negler, sklera etc.). Det vil imidlertid farge urinen mørk, ettersom det ukonjugerte bilirubinet ikke er vannløselig, og dermed ikke vil kunne skilles ut med urinen i nevneverdig grad. Dette er viktig for å kunne skille denne typen gulsot fra andre typer (post-hepatisk), hvor det hoper seg opp konjugert bilirubin.