لم يعرف حتى الآن سبب حدوث التهاب العصب البصري بالتحديد، ولكن هناك حالات طبية عديدة قد تسبب التهابًا في العصب البصري، ونذكر فيما يلي أكثر الأسباب شيوعًا: 

التصلب المتعدد (التصلب اللويحي): يرتبط التهاب العصب البصري والتصلب اللويحي، إذ أن التهاب العصب البصري يعد أول أعراض التصلب المتعدد، حيث يهاجم الجهاز المناعي غمد المايلين الذي يحمي الألياف العصبية في الدماغ والحبل الشوكي؛ مما يؤدي إلى التهاب وتلف الأعصاب. تجدر الإشارة إلى أن التصلب المتعدد يعد أحد أسباب التهاب العصب البصري المتكرر.
التهاب النخاع والعصب البصري: هو أحد أمراض المناعة الذاتية يحدث فيه التهاب للعصب البصري والنخاع الشوكي، فيعاني المريض من فقدان الرؤية في كلتا العينين بالإضافة إلى أعراض أخرى.
تشمل أسباب التهاب العصب البصري الأخرى ما يلي: 

أمراض المناعة الذاتية: مثل الذئبة الحمراء، ومرض بهجت، والساركويد.
العدوى الفيروسية: مثل النكاف، والحصبة، والهربس النطاقي، والتهاب الدماغ الفيروسي
العدوى البكتيرية: مثل الزهري، والتهاب السحايا، والدرن، وداء لايم.
العدوى الفطرية: مثل داء المستخفيات.
الأدوية: مثل بعض أنواع المضادات الحيوية والكينين (بالإنجليزية: Quinine).
جدير بالذكر أن العديد من حالات الالتهاب في العصب البصري مجهولة السبب، ولكن يعتقد أنها تحدث بعد الإصابة بعدوى فيروسية في الجهاز التنفسي العلوي بفترة أسبوع إلى شهر نتيجة حدوث تفاعل التهابي.