Patofisiologi atresia ani melibatkan proses embriologi dalam kandungan. Pada embrio tahap awal, hindgut masih berupa struktur sederhana, dimana bagian kranialnya berhubungan dengan midgut dan bagian kaudal berhubungan dengan ektoderm. Pada bagian ektoderm terbentuk struktur yang disebut membran kloaka.[1-3]

Ketika perkembangan kloaka berlanjut, bagian kaudal dari hindgut berdiferensiasi menjadi dua sistem organ yang berbeda, yaitu sistem urogenital dan sistem anorektal. Kelainan pemisahan kedua sistem organ ini mengakibatkan terjadinya kelainan perkembangan kloaka.[1-3] Kelainan dalam pembentukan membran kloakan juga dapat menyebabkan terjadinya epispadia.

Rektum mengalami migrasi selama perkembangan normal dari posisi yang tinggi menuju daerah yang lebih rendah, yang merupakan tempat anus pada saat lahir. Bila proses migrasi ini terhenti sebelum anus mencapai posisi normalnya di daerah perineum, terjadilah kelainan atresia ani.[1-3]