W zdrowej wątrobie bilirubina jest częściowo wychwytana w wątrobie przez hepatocyty, sprzęgana z resztami kwasu glukuronowego i wydalana z powrotem do krwi jako biluribina sprzężona (glukuronian i diglukuronian bilirubiny). Jej część z kolei jest z powrotem wychwytywana i magazynowana; proces ten wymaga obecności białek OATP1B1 i OATP1B3, których w zespole Rotora jest za mało. Stąd nieprawidłowo duża ilość bilirubiny trafia do krwi obwodowej, powodując zażółcenie skóry. Zazwyczaj poziom bilirubiny jest zbyt niski, by spowodować odkładanie się jej w narządach poza skórą. W odróżnieniu do niektórych innych zaburzeń metabolizmu bilirubiny, w zespole Rotora nie dochodzi także do gromadzenia się metabolitów uszkadzających hepatocyty.
Rozpoznanie Rozpoznanie opiera się na podstawie obrazu klinicznego i wykluczeniu innych przyczyn żółtaczki. Stężenie bilirubiny w surowicy jest zwiększone, zazwyczaj jednak nie przekracza 7 mg/dl. Około 50% wartości stanowi bilirubina sprzężona. W rozpoznaniu ważne jest stwierdzenie zwiększonego stężenia koproporfiryn w moczu. W diagnostyce różnicowej z zespołem Dubina-Johnsona wykonuje się biopsję wątroby, w przypadku zespołu Rotora wynik jest prawidłowy. Cholescyntygrafia wykazuje opóźniony wychwyt bilirubiny, ale jest rzadko wykonywana.