典型的PKU是由於兒童肝細胞缺乏苯丙氨酸4-羥化酶(PAH)，不能將苯丙氨酸轉化為酪氨酸。苯丙氨酸在血液、腦脊液、各種組織和尿液中的濃度極高，產生大量的苯丙酮酸、苯乙酸、苯乳酸、對羥基苯丙酮酸等旁路代謝產物，並從尿液中排出。高濃度的苯丙氨酸及其旁路代謝產物會導致腦細胞損傷。非典型PKU是由於三磷酸鳥苷環化酶、6-丙酮基四氫蝶呤合酶或二氫生物蝶呤還原酶缺乏引起的，這些酶是四氫生物蝶呤合成或再生所必需的酶，四氫生物蝶呤是苯丙氨酸和酪氨酸羥基化所必需的輔酶。沒有它，不僅苯丙氨酸不能被氧化成酪氨酸，多巴胺、5-羥色胺等重要的神經遞質也缺乏，加重了神經系統的功能損害。