Nowotwór wykształca się z jednej komórki, która z nieznanej przyczyny przestaje reagować na normalne bodźce kontrolujące jej rozwój i podział. Komórka ta zaczyna się dzielić, jej komórki potomne także nie rozwijają się w normalny sposób i wrastają pomiędzy sąsiednie komórki i tkanki oraz rozprzestrzeniają się przez układ krwionośny i lim- fatyczny do innych narządów. Rozrastające się komórki nowotworowe powodują zniszczenie tkanki, z której pochodzą, tkanek sąsiednich oraz tkanek, do których nastąpiły przerzuty. W ten sposób zachowują się nowotwory złośliwe, czyli rak. Dwie podstawowe cechy nowotworów złośliwych to nieograniczony miejscowy rozrost oraz zdolność do rozprzestrzeniania się w całym organizmie (przerzuty). Guzy lub nowotwory, które nie wrastają w sąsiednie tkanki i nie mają przerzutów, to nowotwory łagodne. Mechanizm powstawania każdego nowotworu złośliwego jest inny, lecz podstawowe zmiany są bardzo podobne. Jak więc rozpoczyna się proces rakotwórczy? Co nagle psuje się w normalnych systemach kontrolnych komórki?
Rozmnażanie się komórek, ich cykl rozwoju i podziału znajdują się pod ścisłą kontrolą. Komórka dzieli się na dwie komórki potomne według dokładnego planu, regulowanego przez tak zwane geny rozwojowe oraz liczne mechanizmy kontrolne. Po każdym podziale obie komórki potomne wchodzą w fazę zastoju, gdy niejako odpoczywają. Każdy następny podział komórkowy może rozpocząć się dopiero po ponownej rundzie syntezy DNA. Podczas produkcji DNA jego ilość podwaja się, tak aby po podziale obie komórki potomne znowu miały jego cały zestaw. DNA jest wiernie kopiowany, nad jego bezbłędnym powielaniem czuwają enzymy naprawcze oraz wiele procesów kontrolnych.
Rak zaczyna się rozwijać, gdy cykl podziału komórki zostaje z jakiegoś powodu rozregulowany. W przeciwieństwie do komórek normalnych, po podziale komórki rakowej komórki potomne nie wchodzą w fazę spoczynku, lecz niemal natychmiast rozpoczynają syntezę DNA (często z wieloma błędami) i ponownie się dzielą. Często zmiana jednej fazy rozwoju komórki powoduje lawinę zaburzeń. Większość tych zaburzeń rozwoju i kontroli jest spowodowana zmianami w genach rozwojowych i kontrolnych. DNA raz zmutowanej komórki staje się mniej stabilny i następne mutacje u jej potomstwa zachodzą o wiele częściej. Lecz nie każda mutacja, nawet w centralnych systemach kontroli rozwoju i wzrostu komórki, powoduje powstanie raka (tak zwaną transformację nowotworową). Dopiero gdy nastąpi seria kumulujących się zmian, seria szkodliwych mutacji genów obronnych lub kontrolnych, dochodzi do nieodwracalnego przeobrażenia komórki normalnej w rakową.
Podział i wzrost komórek reguluje wiele różnych rodzajów genów. Cztery podstawowe typy genów, których zmiany mogą spowodować raka to: onkogeny (geny rakotwórcze), geny supresorowe transformacji nowotworowej (antyonkogeny), geny, których mutacje powodują zaburzenia kontroli śmierci komórkowej (tak zwanej apoptozy) oraz geny, których mutacje powodują zaburzenia naprawy DNA. Onkogeny, a raczej protonkogeny, to geny bardzo podobne do wirusowych genów rakotwórczych. Pod wpływem czynników środowiskowych (na przykład zarażenia wirusowego lub napromieniowania) geny te ulegają mutacji, zmieniają się w czynne geny rakotwórcze i powodują niekontrolowany rozrost komórki. Jeżeli zawiodą geny hamujące rozwój raka (geny supresorowe transformacji nowotworowej), to przekształcenie komórki normalnej w rakową staje się łatwiejsze. A gdy zawiedzie mechanizm kontroli programowej śmierci komórki, mamy bardzo starą albo bardzo chorą komórkę, która kontynuuje swój żywot, przekształcając się w komórkę rakową. W razie uszkodzenia mechanizmów naprawy DNA dochodzi do nawarstwiania się różnych szkodliwych zmian w kodzie genetycznym, a czasami do rakotwórczych mutacji. Wszystkie te zmiany mogą przyczynić się do transformacji nowotworowej normalnej komórki.
Rak jest chorobą ludzi starszych: im dłużej żyjemy, tym wyższe ryzyko zachorowania. Ryzyko to idzie w parze z liczbą podziałów komórkowych, bo za każdym razem, gdy komórka się dzieli, zachodzi ryzyko błędnego skopiowania DNA. Kopiowanie DNA jest bardzo ściśle kontrolowane, błędy w nim są niedopuszczalne. Istnieje specjalna komórkowa maszyneria, która sprawdza kopiowany DNA oraz wyłapuje i poprawia ponad 99% popełnionych błędów. A nawet gdy błąd się prześliźnie, to w większości przypadków zmiany zachodzące podczas podziału pozostają neutralne, nie zagrażają życiu komórki i stabilności kodu genetycznego. Jednak im więcej podziałów komórkowych, tym większe ryzyko, że zupełnie przypadkowy błąd w kopiowaniu obejmie ważny antyonkogen, gen regulujący lub gen naprawy DNA i że rozpocznie się proces rakotwórczy.
Każdy rak jest w pewnym sensie chorobą genetyczną, bo w jego rozwoju zawsze dochodzi do zaburzeń powielania DNA albo zaburzeń cyklu podziału komórkowego. Nie każdy rak jest dziedziczny, bo zmiany rakotwórcze mogą być wywołane czynnikami środowiskowymi, takimi jak napromieniowanie, kontakt ze związkami chemicznymi lub wirusami. Zmiany te zachodzą wyłącznie w tkankach, które przeistaczają się w raka, a nie w komórkach rozrodczych, dlatego nie mogą być dziedziczone. Istnieją jednak dziedziczne zespoły chorobowe spowodowane mutacjami w pewnych genach, które obniżają odporność organizmu na raka. Wtedy ryzyko zachorowania na raka jest o wiele większe niż u ludzi bez tych zmian genetycznych.