Patofisiologi menorrhagia secara pasti masih belum diketahui. Beberapa teori menduga adanya hubungan esensial antara haemostatic plug dengan peningkatan jumlah darah dan lama menstruasi. Selain dari pada itu, segala keadaan yang dapat menyebabkan gangguan perdarahan dan pembekuan juga dapat menyebabkan terjadinya menorrhagia, misalnya pada penggunaan obat antikoagulan atau penyakit seperti Von Willebrand disease.

Pengetahuan tentang fisiologi menstruasi normal sangatlah penting guna memahami patofisiologi dari menorrhagia. Empat fase dalam siklus menstruasi normal yakni fase folikuler, luteal, implantasi, dan menstruasi. Sebagai respon GnRH (gonadotropin-releasing hormone) dari hipotalamus, kelenjar hipofisis mensintesis FSH (follicle-stimulating hormone) dan LH (luteinizing hormone) yang menginduksi produksi estrogen dan progesteron. Selama fase folikuler, stimulasi estrogen menyebabkan peningkatan ketebalan dinding endometrium. Hal ini juga dikenal dengan fase proliferatif. Fase luteal terlibat dalam proses ovulasi. Selama fase ini, yang juga dikenal dengan fase sekretorik, progesteron menyebabkan maturasi endometrium. Jika fertilisasi terjadi, fase implantasi dipertahankan. Namun, tanpa fertilisasi, estrogen dan progesteron withdrawal menyebabkan menstruasi.

Menorrhagia terjadi jika terdapat gangguan dalam mekanisme siklus menstruasi normal tersebut. Faktor-faktor yang turut berkontribusi dalam mekanisme terjadinya menorrhagia termasuk faktor organik, endokrin, anatomik, dan iatrogenik. Jika perdarahan yang terjadi tidak disebabkan satu pun etiologi tersebut, diagnosis yang sering diberikan adalah perdarahan uterus disfungsional (PUD) / dysfunctional uterine bleeding (DUB). Kebanyakan kasus PUD ini disebabkan oleh siklus anovulasi dan umum terjadi pada usia remaja (pubertas) dan perimenopause. Tanpa ada ovulasi, korpus luteum gagal terbentuk yang menyebabkan tidak adanya sekresi progesteron. Estrogen yang berlebihan menyebabkan endometrium terus berproliferasi dan menebal sampai akhirnya berdegenerasi. Hal ini jugalah yang menyebabkan perdarahan anovulasi lebih berat dari perdarahan menstruasi normal.