Mutacje powstają losowo podczas replikacji DNA lub w trakcie naprawy DNA. Odmienną klasą mutacji są zmiany wywołane transpozycją (tzw. „skaczące geny”), w których fragment DNA o długości od kilkuset do kilku tysięcy nukleotydów zmienia swoje położenie w genomie. Tego typu mutacje są stosunkowo częste u niektórych roślin (np. kukurydza) oraz zwierząt (np. muszka owocowa).
Mutacje zachodzą też podczas replikacji RNA, i to częściej niż w DNA, gdyż enzymy replikujące RNA (RNA-polimerazy) nie mają mechanizmów korekcyjnych typu proof-reading albo są one mniej skuteczne niż w replikacji DNA; w rezultacie błędy kopiowania nukleotydów zdarzają się częściej, co prowadzi np. do wysokiej zmienności genetycznej wirusów RNA.
Mutacje zachodzą też w wyniku działania na genom czynników mutagennych (mutagenów), takich jak promieniowanie UV oraz różne związki chemiczne.
Zarówno spontaniczny, jak i wywołany przez mutageny proces powstawania mutacji w materiale genetycznym nazywa się mutagenezą.
Do zmiany pierwotnego materiału genetycznego dochodzi także podczas poziomego transferu genów, zakażenia wirusowego, crossing-overingu (tj.