典型的苯丙酮尿癥:由於兒童肝細胞缺乏苯丙氨酸-4羥化酶，苯丙氨酸不能轉化為酪氨酸，苯丙氨酸在體內蓄積，產生過多的苯丙酮酸、苯乙酸、苯乳酸、對羥基苯丙酮酸等旁路代謝產物。高濃度苯丙氨酸及其旁路代謝產物引起壹系列臨床癥狀:過量的苯丙酮酸從尿中排出，形成苯丙酮酸尿；酪氨酸轉化為黑色素的過程受阻，兒童皮膚和頭發中的色素減少，L酪氨酸來源減少，導致甲狀腺素和腎上腺素合成減少，苯丙氨酸和旁路代謝產物對腦內某些酶的抑制，造成腦細胞損傷。
非典型苯丙酮尿癥:由於缺乏三磷酸鳥苷環化酶、6-乙酰乙酰基四氫蝶呤合酶或二氫生物蝶呤還原酶(苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸羥基化所必需的輔酶)而引起。當它缺乏時，不僅苯丙氨酸不能被氧化成酪氨酸，而且多巴胺、5-羥色胺等重要的神經介質也缺乏，引起壹系列神經系統癥狀。