Ninguém sabe precisamente o que causa desequilíbrios químicos no cérebro. O termo não é um termo médico técnico, mas sim um termo comumente usado por leigos para descrever uma possível causa de algumas doenças mentais. Desequilíbrios químicos têm sido teorizados como responsáveis por transtornos como depressão, ataques de ansiedade, esquizofrenia e outras doenças mentais. No entanto, segundo o Manual Diagnóstico e Estatístico de Transtornos Mentais, nenhum vínculo causal foi definitivamente estabelecido entre a depressão e qualquer neurotransmissor específico.
Segundo o Manual Diagnóstico e Estatístico de Transtornos Mentais, um desequilíbrio de neurotransmissores envolvendo serotonina e norepinefrina pode estar envolvido na depressão.
Um relatório do Instituto Nacional de Saúde indica que um desequilíbrio de sistemas de neurotransmissores como os sistemas de dopamina e acetilcolina pode ter conexão com a depressão clínica.
Um estudo publicado pelos Anais da Academia Nacional de Ciências sugere que um desequilíbrio de neurotransmissores envolvendo o sistema gamma-aminobutírico pode estar envolvido na depressão.
Uma forma do hormônio liberador de corticotrofina pode estar envolvida na depressão pós-parto, segundo um relatório da Universidade da Califórnia-Irvine.
A Hipótese Monoamínica, conforme definida pela Escola de Medicina Clínica da Universidade de Cambridge, postula que a depressão pode ser causada pela falha do cérebro em produzir monoaminas suficientes, como dopamina, serotonina e norepinefrina.