Nguyên nhân gây ra bệnh gai cột sống bắt nguồn từ phần đĩa tròn từ sụn nằm giữa hai đốt sống (được gọi là bao xơ đĩa đệm), khi nó gặp vấn đề. Xương sống lưng (lumbar spine) và cổ (cervical spine) là nơi chịu ảnh hưởng nhiều nhất của các động tác đi đứng, khiêng nặng, cúi lên cúi xưống. Nó có xu hướng bị thoái hóa theo tuổi tác. Khi đó, phần bao xơ này bị mất nước, nứt vỡ và xẹp đi. Kết quả là các đốt sống liền kề tiếp xúc trực tiếp với nhau và bắt đầu mòn dần do ma sát. Theo đó hình thành các gai xương, gây đau và cản trở cử động của khớp.

Các đốt xương sống tiếp giáp với nhau bằng những khớp xương nhỏ (facet joint, vertebral joint) ở hai bên phía sau đốt sống. Lúc khớp xương bị thoái hoá (degeneration), mất sụn bọc các đầu xương ở trong khớp bị hư hại, mòn và tróc ra, làm lộ xương ở dưới sụn. Khớp xương bị viêm (sưng và đau) lúc đứng, ngồi và cả lúc đi. Vì khớp cột sống bị viêm, các đĩa đệm giữa các đốt sống cũng bị hư hại, cột sống không còn vững chắc như trước. Do đó, cột sống tìm cách tự ổn định bằng cách mọc ra những nhánh xương hay gai xương (bone spurs, osteophytes) bao quanh những khớp xương sống lưng đó. Đồng thời, thân đốt xương sống mọc ra những nhánh tương tự.[3]

Ngoài ra khi tuổi tác càng cao, thì tình trạng viêm khớp và chấn thương cũng là một trong những nguyên nhân gây ra đau đốt sống. Ngoài ra còn có thể có tác hại do tai nạn, chấn thương, béo phì cũng như tác dụng do yếu tố di truyền (có những người mang gien có tác dụng làm cho đĩa đệm của họ yếu hơn bình thường).

Theo một số thống kê thì có 3 nguyên nhân chính dẫn đến gai cột sống:

• Viêm khớp cột sống mãn tính: Quá trình viêm ảnh hưởng đến phần sụn đốt sống, lâu ngày phần sụn này bị hao mòn dần, khiến bề mặt trơn láng của nó trở nên thô ráp, xù xì và cuối cùng hai bề mặt xương tiếp xúc, cọ xát lên nhau. Đến lúc này, cơ thể sẽ có một quá trình tự điều chỉnh để khắc phục hiện tượng trên, nhưng kết quả của quá trình chỉnh sửa lại là sự hình thành gai xương.
• Sự lắng đọng canxi ở các dây chằng, gân tiếp xúc với đốt sống: Trường hợp này thường gặp trong thoái hóa cột sống ở người lớn tuổi, đó là sự lắng đọng canxi dưới dạng calcipyrophosphat. Sự thoái hóa cột sống có thể xảy ra ở một trong các thành phần cấu tạo của cột sống: xương đốt sống, đĩa sụn, các dây chằng bám quanh khớp. Quá trình thoái hóa làm mất nước (chiếm 80% trong sụn) và biến đổi một số chất, làm sụn khớp dễ bị canxi hóa.
• Chấn thương: Chấn thương làm hư hại xương hoặc khớp ở cột sống, và phản ứng của cơ thể để sửa chữa nơi bị tổn thương sẽ dẫn đến sự hình thành gai cột sống. Trong trường hợp này, gai cũng có thể hình thành từ sự lắng đọng canxi ở dây chằng đã dày lên do phản ứng viêm.