sonra beyin gelişimini değiştirmesinin otizmin işleyişinde önemli rol oynadığını göstermektedir. Bu yerel anomali beyinde, çevresel faktörlerin de önemli derecede etkilediği bir dizi patolojik olguya yol açar. Her ne kadar insan beyninin ana yapısı ile ilgili olsa da, hemen hemen tüm postmortem araştırmalar aynı zamanda zekâ geriliği olan bireylerde yapıldığından sonuç çıkarmak çok zordur. Beyin ağırlığı, hacmi ve kafa çevresi otizli çocuklarda genelde daha büyüktür. Patolojik erken aşırı büyümenin hücresel ve moleküler temelleri gibi aşırı büyümüş sinir sistemlerinin, otizmin karakteristik belirtilerinin sebebi olup olmadığı bilinmemektedir. Güncel varsayımlar şöyledir:

Bağışıklık sistemi ve sinir sistemi arasındaki etkileşimler embriyonik gelişimin başlarında başlar ve başarılı bir sinir sitemi gelişimi dengeli bir bağışıklık sistemi tepkisine bağlıdır. Otizmli çocuklarda kötü ayarlanmış bağışıklık tepkileri ile uyumlu çeşitli belirtiler olduğu, araştırmalarda belirtilmiştir. Sinir sisteminin gelişiminin kritik dönemlerinde anormal bağışıklık sistemi aktivitesinin OSB’nin bazı türlerinin işleyişinin bir parçası olabilmesi mümkündür. OSB’den başka hastalıklarda görülen otoantikorlar patoloji ile bağlantılı değildir ve OSB’de her zaman bulunmazlar. Dolayısıyla bağışıklık sistemi bozuklukları ile otizm arasındaki ilişki net değildir ve tartışma konusudur.

Otizmde, özellikle kanda yüksek serotonin düzeyleri gibi çeşitli nörotransmitter anomalileri tespit edilmiştir. Bunların yapısal ya da davranışsal anormaliklere neden olup olmadığı belli değildir. Ayrıca doğuştan metabolizma bozukluklarının bazıları otizm ile ilşkilidir ancak muhtemelen vakaların %5’inden azında rastlanır.

Otizmin ayna nöron sistemi (ANS) teorisi, ANS’nin gelişimindeki bozuklukların taklide engel olduğunu ve otizmin ana özellikleri olan sosyal bozukluklara ve iletişim zorluklarına yol açtığını ileri sürer. ANS, bir hayvan bir eylemde bulunduğunda ya da kendi türünden bir hayvan aynı eylemi yaptığında işleyen bir sistemdir. ANS, başkalarının eylemlerinin, niyetlerinin ve duygularının somut simülasyonu yoluyla davranışlarını modellemeye olanak sağlayarak, bireyin başkalarını anlamasına yardımcı olabilir. Bu varsayımı test eden birkaç çalışma, OSB’si olan bireylerin ANS bölgelerinde yapısal anormallikler olduğunu göstermiştir. Asperger sendromu olanlarda taklidin oluştuğu çekirdek devrede gecikme gibi bu anormalliklerin varlığıyla birlikte, OSB’li çocuklarda azalmış ANS aktivitesiyle belirtilerin şiddeti arasında bir bağıntı (korelasyon) olduğu gösterilmiştir. Ancak, otistiklerin, ANS dışında bulunan birçok bölgelerinde de anormal beyin aktiviteleri bulunur ve ANS teorisi otizm tanılı çocukların bir hedef ya da amaç içeren taklit görevlerindeki normal performanslarını açıklamaz.

Otizmli erişkinler üzerinde 2008 yılında yapılan bir araştırma, sosyal ve duygusal yönlendirme ile ilgili geniş beyin ağı olan ön dikkat sisteminde işlevsel düzenin değiştiğini ama dikkati toplama ve hedefe yönelik düşünme ile ilgili arka dikkat sisteminin bozulmamış olduğunu göstermiştir. 2008 yılına ait bir beyin görüntüleme araştırması, singulat girusta OSB’li bireylere özgü bir dizi sinyal bulunduğunu ortaya çıkardı.
Otizmin düşük bağlantı teorisi, otizmde üst düzey nöral bağlantıların ve senkronizasyonunun düşük işlevselliğinin bulunduğunu ve bunların yanı sıra alt düzey süreçlerin de fazlalığını varsayar. Bu teoriyi destekleyen kanıtlar otistik bireyler üzerinde yapılan işlevsel sinir sistemi görüntüleme araştırmaları ile bulunmuştur. Bir beyin dalgası araştırması da OSB’li erişkinlerin korteksinde yerel aşırı bağlantı olduğunu ve frontal lob ile korteksin diğer bölgeleri arasında zayıf işlevsel bağlantılar olduğunu göstermiştir. Diğer kanıtlar, düşük bağlantıların korteksin her iki hemisferinde olduğunu ve otizmin assosiasyon korteksinin bir bozukluğu olduğunu gösterir.

Otistik beyinler ve davranışlar arasındaki bağlantılar arasında iki ana bilişsel teori kategorisi önerilmiştir.

İlk kategori sosyal kavramada görülen eksikler üzerine yoğunlaşır. Aşırı sistemlilik varsayımına göre otistik bireyler sistematik davranışlarda bulunabilir yani içsel olaylarla başaçıkabilmek için içsel hareket kuralları geliştirebilir ama diğer faktörler tarafından oluşturulan olaylarla başaçıkabilmek için empati yapmakta daha az başarılıdırlar. Bu varsayım aşırı erkek beyni teorisini genişletir. Bu teori, otizmin, psikometrik olarak empatiden çok sistematikte başarılı olan bireyler olarak tanımlanan erkek beyninin aşırı bir durumu olduğunu varsayar. Bu da daha önceki zihin teorisi ile ilişkilidir. Zihin teorisi, otistik davranışın, bireyin zihinsel durumlarını kendisine ya da başkasına yükleme yetisinin olmamasından ortaya çıktığını varsayar. Zihin teorisi, başkalarının güdüleri hakkında yorum yürütme ile ilgili Sally ve Anne testine otistik çocukların verdiği atipik cevaplarla desteklenir ve otizmin ayna nöron sistemi teorisi ile örtüşür.

İkinci kategori sosyallik dışı ve genel süreçler üzerine yoğunlaşır. Kendini yönetme sistemi fonksiyon bozukluğu teorisi otistik davranışın esneklik, planlama ve diğer yönetsel fonksiyonlarda bulunan eksikliklerden kaynaklandığını varsayar. Teorinin güçlü yanı stereotipik davranışları ve sınırlı ilgiyi öngörmesidir; zayıf yanı ise küçük otizmli çocuklarda yönetsel fonksiyon bozukluklarının bulunmamasıdır. Zayıf merkezî tutarlılık teorisi, büyük resmi görmede sınırlı yeteneğin otizmin merkezî bozukluğunun temelinde yattığını varsayar. Teorinin kuvvetli bir yanı, otistik insanların performansındaki zirveleri ve özel yetenekleri öngörmesidir. Bağlantılı bir teori olan genişlemiş algısal fonksiyon teorisi, daha çok otistik bireylerde yerel olarak yönlenmiş ve algısal işlemlerin üstünlüğü üzerine yoğunlaşır. Bu teoriler otizmin düşük bağlantı teorisi ile örtüşür. 
İki kategori de kendi başına tatmin edici değildir; sosyal bilişim teorileri otizmin katı ve yineleyici davranışını kolayca açıklayamaz, sosyallik dışı teoriler de sosyal bozukluğu ve iletişim zorluklarını açıklamakta zorluk çeker. Karşılaşılan bozuklukların çoğu üzerine kurulmuş birleşik bir teori daha yararlı olabilir.

OSD’si olan çocukların ebeveynlerinin yaklaşık yarısı çocuklarının sıradışı davranışlarını 18 aylıktan itibaren, yaklaşık beşte dördü de yaklaşık 24 aylıktan itibaren fark ederler. Tedaviyi geciktirmek uzun süreli sonuçlarda etkili olacağından, aşağıdaki belirtilerden herhangi birini gösteren çocukların bir uzman tarafından zaman geçirmeden değerlendirilmesi gerekir:
"American Academy of Pediatrics" (Amerikan Pediatri Akademisi) tüm çocukların, 18 ve 24 aylık doktor muayeneleri sırasında otizme özel tarama testleri ile OSB için taranmasını önermektedir. Buna karşılık "UK National Screening Committee" (Birleşik Krallık Ulusal Sağlık Taraması Komitesi), tarama araçlarının tamamen onaylanmadığı ve etkinlikleri için yeterli kanıt bulunmadığı için genel popülasyonda OSB taraması yapılmamasını önermektedir. Tarama araçlarının arasında "Modified Checklist for Autism in Toddlers" (M-CHAT) (Yürüme çağındaki bebeklerde otizm için değiştirilmiş kontrol listesi), Otistik Özellikler için Erken Tarama Anketi ve İlk Yıl Envanteri gibi araçlar bulunur. M-CHAT ve öncülü CHAT hakkındaki ilk veriler, 18-30 aylık çocuklarda, en iyi klinik ortamlarda kullanıldığını ve düşük hassasiyeti (çok yanlış negatif) ama iyi belirliliği (düşük yanlış pozitif) olduğunu göstermektedir. Bir kültürün normlarına göre (örneğin göz teması normları), geliştirilmiş tarama araçları farklı bir kültürde kullanıldığında uygun olmayabilir. Otizm için genetik tarama henüz pratik değildir.

Otizm tanısı, nedenine ya da işleyişine göre değil, davranışlara göre yapılmaktadır. DSM-IV-TR’de otizmin toplamda en az altı belirti gösterdiği tanımlanır; bu belirtilerin en az ikisi sosyal etkileşimde nitel bozukluk, en az bir tanesi iletişimde nitel bozukluk ve en az bir tanesi de sınırlı ve yineleyici davranış olmalıdır. Örnek belirtiler arasında, sosyal ve duygusal karşılıklılık eksikliği, dilin stereotipik ve yineleyici kullanımı ya da idiosinkratik (kişiye özgü) dil kullanımı ve nesnelerin parçaları ile ısrarlı olarak ilgilenme bulunur. Sosyal etkileşimde, sosyal iletişimde kullanılan dilde ya da sembolik ve hayalî oyunlarda görülen anormallikler ve gecikmelerin ortaya çıkışı üç yaşından önce olmalıdır. Ne Rett sendromu ne de çocukluğun dezintegratif bozukluğu bu belirtileri daha iyi açıklamamalıdır. ICD-10 hemen hemen aynı tanımlamayı kullanır.

Tanı koymak için çeşitli araçlar bulunur. Bunlardan, otizm araştırmasında sıklıkla kullanılan ikisi ebeveyn ile görüşmeden oluşan Otizm Tanı Görüşmesi – Gözden Geçirilmiş (ADI-R) ve çocuk ile etkileşim ve gözlemi içeren Otizm Tanı Gözlem Ölçeğidir. Çocukluk Otizmini Derecelendirme Ölçeği (CARS) klinik ortamlarda çocuğu gözlemlemeyi temel alır ve otizmin şiddetini belirlemek için yaygın olarak kullanılır.

Çocuk doktoru genellikle çocuğun gelişim tarihçesini alarak ve çocuğu fiziksel muayeneden geçirerek bir ön inceleme yapar. Eğer izin verilirse, tanı ve değerlendirmeler OSB uzmanlarının yardımıyla yapılır. Bunun için standart araçlar kullanılarak bilişsel, iletişimsel, ailevi ve diğer faktörler değerlendirilir ve gözlemlenir, ayrıca bağlantılı tıbbi durumlar göz önüne alınır. Bu aşamada OSB için ayırıcı tanı, ayrıca zekâ geriliği, duyma kaybı ve Landau-Kleffner sendromu gibi bir gelişimsel dil bozukluğunu da içermelidir. OSB için bazen 14 aylık iken tanı konabilir ama tanı ilk üç yaş için giderek daha kararlı olur. Yani bir yaşında OSB tanı kriterlerine uyan bir çocuğun, üç yaşında bu kriterlere uyan bir çocuğa göre yaşamının ileriki dönemlerinde bu belirtileri göstermeme olasılığı daha fazladır. Birleşik Krallık’ta "National Autism Plan for Children" (Çocuklar İçin Ulusal Otizm Planı) ilk şikâyetlerden itibaren tanının konması ve değerlendirme için en çok 30 hafta süreyi önerir ama uygulamada çok az vaka bu kadar hızlı değerlendirilebilir. ABD’de 2006 yılında yapılan bir araştırm