Эстриол, синтезирующийся во время беременности, представляет собой конечный продукт сложной цепочки биохимических превращений, отражающей тесную взаимосвязь плода, плаценты и матери. Плацента не имеет полного набора ферментов, необходимых ей для синтеза эстрогенов из холестерола, поэтому она использует готовые предшественники эстрогенов, поступающие как от плода, так и от матери. Одним из таких предшественников является дегидроэпиандростеронсульфат (DHEA-S), синтезирующийся в надпочечниках матери и в фетальной коре надпочечников плода. Когда DHEA-S метаболизируется в плаценте, образуются эстрадиол и эстрон, однако лишь малая их часть превращается в итоге в эстриол. Около 90  % плацентарного эстриола происходит из метаболитов DHEA-S, образующихся в печени плода. В связи с этим концентрация эстриола сыворотки используется в качестве индикатора состояния плода, а также плаценты. Эстриол, синтезируемый в плаценте, называется свободным (неконъюгированным, несвязанным).

Существует ряд других заболеваний плода и матери, приводящих к изменению уровня свободного эстриола. Его снижение характерно для редких, но тяжелых нарушений плода – надпочечниковой недостаточности, Х-сцепленного ихтиоза, синдрома Смита – Лемли – Опитца. Низкая концентрация свободного эстриола в сочетании с высокими показателями бета-ХГЧ и альфа-ФП связана с повышенным риском задержки внутриутробного развития плода и осложнений третьего триместра беременности (преждевременной отслойки плаценты и преэклампсии).

Основным источником эстрогенов в организме женщины являются яичники. При возникновении эстрогенпродуцирующих опухолей яичника уровни свободного эстриола и других эстрогенов многократно возрастают, что становится причиной гиперэстрогенизма. Самые частые гормонально-активные опухоли яичника – злокачественная гранулезоклеточная опухоль и доброкачественная текома. В большинстве случаев они возникают у женщин после менопаузы. В результате гиперэстрогенизма происходит избыточная стимуляция клеток эндометрия, что приводит к гиперплазии и аденокарциноме эндометрия. Оба заболевания проявляются маточным кровотечением.

У мужчин женские половые гормоны образуются в основном из жировой ткани, однако яички тоже вырабатывают небольшое их количество. При гормонально-активных опухолях яичка развивается гиперэстрогенизм, который приводит к гинекомастии. Гормонально-активные опухоли составляют около 1  % всех новообразований яичка, наиболее распространены опухоль из клеток Сертоли и гранулезоклеточная опухоль. Они часто бывают двусторонними и редко метастазируют.

Еще одной причиной повышения уровня свободного эстриола и других эстрогенов у мужчин и женщин являются опухоли надпочечника.