特发性中枢性性早熟可能涉及发育调控因子影响脑的神经内分泌功能而发生对正常青春发动控制的功能紊乱，使抑制性因子和兴奋性因子间的平衡失调，下丘脑对性腺发育的抑制失去控制，使促性腺激素释放激素（GnRH）及垂体促性腺激素过早分泌，而导致下丘脑-垂体-性腺轴的超前启动而引起性早熟。除了器质性病变所致刺激外，某些能使GnRH脉冲分泌神经元激活的因素，如兴奋性氨基酸（谷氨酸）可作为神经递质的角色而在刺激GnRH释放中起关键作用。属上皮生长因子（EGF）类的胶质衍生转化生长因子-α（TGF-α），以及EGF受体系统（EGFR）可涉及性早熟的神经内分泌机制。
中枢神经系统肿瘤可因浸润、瘢痕、肿瘤压迫等原因影响下丘脑功能，破坏了抑制促性腺激素释放激素分泌的神经通道，使促性腺激素释放激素的释放不受正常反馈机制的抑制，使促性腺激素释放激素分泌增加，引起性腺轴系功能提前启动。也有些肿瘤尤其是下丘脑异构瘤，因其含异位分泌促性腺激素释放激素神经元，本身可以有释放促性腺激素释放激素的细胞分泌促性腺激素释放激素，促性腺激素释放激素可呈脉冲式释放，使促性腺激素释放激素分泌增加。松果体瘤、畸胎瘤也可分泌具有促性腺激素的活性物质，松果体瘤还可因褪黑素减少而致性早熟。患这些肿瘤的患儿以性早熟为首发症状，以后会伴有因肿瘤压迫所致的症状，如头痛、癫痫或视野改变。
另外，脑炎、结核、头部损伤或先天畸形（如脑发育不全、小头畸形、脑积水）均可破坏下丘脑与脑垂体通道，或下丘脑失去更高级中枢控制而活性增加，诱发性早熟。