Comme tout tendon, le tendon rotulien est principalement constitué de fibres de collagène de type I disposées parallèlement à l'axe de la force transmise, ce qui lui donne une grande résistance à la traction au prix d'une élasticité relativement faible. Un tendon sain subit un cycle continu et équilibré de microlésions et de réparation — chaque charge provoque de légères microlésions des fibres de collagène, réparées dans des conditions normales par les fibroblastes (ténocytes) plus vite qu'elles n'apparaissent.
Le problème commence lorsque la fréquence et l'intensité de la charge (sauts répétés, réceptions, changements de direction) dépassent la capacité de régénération du tissu entre les séances d'entraînement — typiquement lors d'une augmentation soudaine du volume ou de l'intensité d'entraînement, d'un changement de surface ou de chaussures, ou après une pause suivie d'une reprise de la charge complète sans adaptation suffisante. Dans ces conditions, les microlésions s'accumulent plus vite que le tissu ne peut les réparer, et la réponse réparatrice de l'organisme commence à produire un tissu de qualité structurelle inférieure — avec un arrangement désorganisé et moins ordonné des fibres de collagène, une teneur accrue en substance fondamentale (protéoglycanes liant l'eau) et de nouveaux vaisseaux sanguins immatures (néovascularisation), accompagnés de terminaisons nerveuses fines qui s'y développent — ce qui explique en partie l'origine de la douleur dans un tissu qui, histopathologiquement, ne montre pas d'inflammation classique.
La seconde partie du mécanisme concerne la raison pour laquelle la douleur elle-même ne corrèle souvent pas bien avec le degré de changement structurel visible à l'échographie ou à l'IRM — comme pour les hernies discales de la colonne vertébrale, une structure tendineuse dégénérée est parfois visible à l'imagerie chez des personnes sans aucun symptôme douloureux, et inversement, une douleur intense peut survenir avec des changements structurels relativement mineurs. Cela s'explique par le fait que la douleur dans la tendinopathie résulte en grande partie de processus biochimiques et neurogènes (nouvelles terminaisons nerveuses accompagnant la néovascularisation, changements de densité locale des récepteurs de la douleur), et non uniquement de la « taille » mécanique de la lésion — c'est pourquoi une amélioration de l'image échographique après rééducation ne s'accompagne pas toujours d'une disparition de la douleur, et inversement.