這種先天性代謝病是由于致病基因使人體肝臟內不能形成苯丙氨酸羥化酶（PAH），該酶能促使苯丙氨酸轉化為酪氨酸，由于它的缺乏，導致苯丙氨酸的轉化受阻，造成人體血液和其他組織中苯丙氨酸的積累。過量的苯丙氨酸和它的衍生物——苯丙酮酸就由尿中排出，所以稱之為苯丙酮尿癥。苯丙酮酸及其代謝產物如在腦中大量積累，會使腦組織的生化代謝紊亂，阻礙大腦的生長發育，造成智力低下，即是引起該癥患者癡呆的原因。另外，過量的苯丙氨酸及其代謝產物可能會抑制酪氨酸向黑色素的轉化，故患者往往伴有膚色和發色較淡的性狀表現。控制苯丙氨酸羥化酶的基因定位于12q22～12q24.2。