膜收縮蛋白基因異常(主要是αHE突變)導致膜收縮蛋白以二聚體代替了正常的四聚體，從而使細胞膜穩定性下降。αLELY等位基因表達產生的α鏈缺乏與β鏈結合的能力，但對正常膜收縮蛋白的生成無明顯影響；如果同時存在α鏈基因突變，則可出現明顯的橢圓形紅細胞改變。這些膜蛋白異常主要通過影響膜骨架水平方向相互作用而使膜穩定性下降。
4.1蛋白功能障礙是由于4.1蛋白基因突變，使蛋白變短，因而功能不全。4.1蛋白的正常功能是加強膜收縮蛋白與肌動蛋白的結合，因此，它的異常可影響膜骨架的穩定性。4.1蛋白缺乏程度與細胞變形性降低和機械脆性增加有關。
HE形成橢圓形紅細胞的機制尚不完全清楚。正常紅細胞在老化過程中也能形成橢圓形細胞。HE的紅細胞只有在骨髓釋放入血循環后才能形成橢圓形，有核紅細胞和網織紅細胞形態正常。推測紅細胞在經過微循環時受一定剪切力的作用后，膜骨架蛋白發生重新連接，紅細胞變成橢圓形，當外力去除后卻不能恢復正常，成為永久性的橢圓形細胞。已證實，上述膜骨架蛋白異常可致紅細胞膜骨架蛋白的水平連接缺陷，使膜骨架穩定性減弱，這與橢圓形紅細胞的形成密切相關。這種紅細胞易在外力作用下破碎，因此病情越重，異形細胞和破碎細胞也愈多。
溶血嚴重程度與膜收縮蛋白二聚體所占比例相關，超過40%～50%者常有嚴重溶血，需脾切除；而二聚體含量的多少又取決于突變位點，以及膜中變異膜收縮蛋白的含量。膜機械脆性增加與未形成四聚體的二聚體含量增多有關，而紅細胞變形性則與變異膜收縮蛋白的量有關。
大多數橢圓形細胞在脾臟被破壞，少部分在肝臟和骨髓中破壞。