โรคเซลล์รูปเคียวเกิดขึ้นเมื่อยีนที่มีหน้าที่สั่งให้เซลล์ผลิตโปรตีน 2 ใน 4 ของฮีโมโกลบินมีข้อผิดพลาด การกลายพันธุ์ทำให้ฮีโมโกลบินมีรูปร่างแข็งคล้ายเคียว ซึ่งส่งผลให้การขนส่งออกซิเจนทั่วร่างกายลดลง เซลล์ที่มีรูปร่างผิดปกติจะติดอยู่ในหลอดเลือด ทำให้เกิดอาการเจ็บปวดที่เรียกว่าวิกฤตหลอดเลือดอุดตัน เซลล์ยังตายเร็วกว่าเซลล์เม็ดเลือดแดงปกติซึ่งนำไปสู่โรคโลหิตจาง
ผู้ป่วยยังมีความเสี่ยงสูงที่จะเป็นโรคหลอดเลือดสมอง โรคหัวใจ ไตวาย และภาวะอื่นๆ ที่คุกคามชีวิต ผู้ป่วยเซลล์รูปเคียวไม่ได้เริ่มต้นชีวิตด้วยฮีโมโกลบินที่ทำงานผิดปกติ ขณะที่อยู่ในครรภ์ มนุษย์จะสร้างฮีโมโกลบินทารกในครรภ์ ซึ่งทำหน้าที่นำออกซิเจนตามปกติ อย่างไรก็ตาม สามหรือสี่เดือนหลังคลอด เซลล์จะหยุดแสดงฮีโมโกลบินของทารกในครรภ์และเปลี่ยนเป็นรุ่นผู้ใหญ่ ฮีโมโกลบินของผู้ใหญ่ที่แสดงออกโดยผู้ป่วยเซลล์รูปเคียวมีข้อบกพร่อง แต่พวกมันยังคงมีเซลล์ต้นกำเนิดในไขกระดูกที่มีศักยภาพในการผลิตฮีโมโกลบินของทารกในครรภ์ ผู้ป่วยที่มีสิ่งที่เรียกว่าการคงอยู่ทางพันธุกรรมของฮีโมโกลบินของทารกในครรภ์แตะทรัพยากรนี้โดยอัตโนมัติ พวกมันมีการกลายพันธุ์ของเซลล์รูปเคียว แต่การกลายพันธุ์เพิ่มเติมส่งผลให้ฮีโมโกลบินของทารกในครรภ์แสดงออกอย่างต่อเนื่องจนถึงวัยผู้ใหญ่ ด้วยระดับฮีโมโกลบินของทารกในครรภ์ประมาณ 25-30% เขากล่าวว่าการทำงานของเซลล์เม็ดเลือดแดงเพียงพอได้รับการฟื้นฟูเพื่อให้ผู้ป่วยเหล่านี้อาจไม่แสดงอาการ