Sâu răng hình thành bởi sự mất cân bằng giữa quá trình khử khoáng và tái khoáng. Tái khoáng là một quá trình xảy ra tự nhiên trong khoang miệng, thúc đẩy sự lắng đọng các thành phần Ca2+ và PO43- vào các lỗ rỗng tinh thể trong men răng, góp phần xây dựng và hoàn thiện cấu trúc răng. Khử khoáng răng là một quá trình hóa học trong đó các khoáng chất được loại bỏ khỏi mô cứng của răng. Sự khởi đầu của quá trình sâu răng được kích hoạt bởi sự gia tăng độ axit của mảng bám răng, do vi khuẩn trong mảng bám răng chuyển hóa đường trong thức ăn thành axit. Sự tạo thành axit trong mảng bám răng vượt quá khả năng đệm của nước bọt, làm giảm pH tại chỗ trên bề mặt răng. Khi pH giảm xuống dưới 5.5 (pH tới hạn của hydroxyapatite) Ion H+ của axit tác động lên tinh thể hydroxyapatite, giải phóng thành phần Ca2+ và PO43-, bắt đầu quá trình mất khoáng. Trong thời gian khoáng chất Ca2+ và PO43- hòa tan ra khỏi men vào mảng bám và một khi axit mảng bám đã được trung hòa, các khoáng chất có thể tái khoáng trở lại bề mặt men răng. Quá trình này thường diễn ra chậm, khử khoáng xen kẽ với những hoạt động tái khoáng, khử khoáng có thể được đảo ngược để tái khoáng hóa xảy ra chống lại các tác động của axit trong khoang miệng [39], [40].
Tuy nhiên, khả năng tái khoáng hóa bị hạn chế nếu chế độ ăn đường quá thường xuyên, khử khoáng chiếm ưu thế chất khoáng của răng sẽ bị hòa
tan dẫn đến hình thành một khoang trên bề mặt men, vi khuẩn có thể xâm nhập vào cấu trúc bên trong của răng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng chỉ những mảng bám tập trung nhiều S.mutans và lactobacilli mới tạo ra axit đủ làm giảm pH gây hủy khoáng cấu trúc răng. Sự tiếp xúc của dung dịch đường sucrose và mảng bám vi khuẩn sẽ đẩy nhanh chuyển hóa tạo thành axit hữu cơ (chủ yếu là axit lactic), những axit hữu cơ này phân ly làm giảm pH tại chỗ [40].
Bề mặt của tổn thương sâu răng sớm luôn sẵn sàng lắng đọng các khoáng chất Ca2+ và PO43- từ nước bọt khi môi trường miệng thay đổi. Sâu răng có thể được kiểm soát bằng cách sửa đổi hành vi và kiểm soát các yếu tố gây bệnh của nó, tức là giảm tần suất ăn carbohydrate lên men từ thực phẩm. Sâu răng xảy ra khi tốc độ khử khoáng vượt quá tốc độ tái tổ hợp, mạng tinh thể bị phá hủy trong một quá trình kéo dài. Lỗ sâu xuất hiện là khi sự hủy khoáng dưới bề mặt đã lan rộng làm sập cấu trúc răng, tổn thương không hồi phục và tiến triển làm phá hủy cấu trúc răng ngày một nặng hơn [40].