由於該癥患者肝臟中苯丙氨酸羥化酶的缺乏，導致苯丙氨酸不能轉化為酪氨酸，而蓄積在體內，引起中樞神經系統的損傷，同時導致酪氨酸、多巴、腎上腺素、黑色素等生理活性物質的合成障礙，引起壹系列的病理改變。
壹是腦的成熟障礙，大腦皮層分化不全，灰質異位，樹突分支和突觸棘的數量減少。
二是髓鞘生成障礙，伴膠質細胞增生，海綿樣變性。此外黑質和藍斑的色素減少。
PKU最主要的危害是神經系統損害。未經治療的患兒初生時正常，在生後數月內可能早期出現嘔吐、煩躁、易激惹及程度不同的發育落後，生後4-9個月開始有明顯的智力發育遲緩，語言發育障礙尤甚，近半數合並有癲癇發作，其中約1/3為嬰兒痙攣癥，多在生後18個月以前出現。約80%有腦電圖異常，可表現為高峰節律紊亂、竈性棘波等，癲癇發作可隨年齡增長而變換發作形式，絕大多數患兒有抑郁、多動、孤獨癥傾向等精神行為異常，如不進行及時合理的治療最終將造成中度至極重度的智力低下。
神經系統異常體征不多見，可有腦小畸形，肌張力增高，步態異常，腱反射亢進，手部細微震顫，肢體重復動作等.由於黑色素缺乏，患兒常表現為頭發黃、皮膚和虹膜色淺。血液中蓄積的苯丙氨酸經旁路代謝後轉化為苯丙酮酸、苯乙酸，自尿中大量排出，因此，患兒尿液中常有令人不快的鼠尿味。同時，患兒易合並有濕疹、嘔吐、腹瀉等。
苯丙酮尿癥是最早提出可治療的遺傳代謝性病之壹,如果早期診斷,及早治療,可以使患兒免遭智力損傷,能像正常人壹樣的生活。
治療措施：低苯丙氨酸飲食療法是目前治療經典型PKU的惟壹方法，治療的目的是預防腦損傷。飲食療法的原則是使苯丙氨酸的攝入量能保證生長和代謝的最低需要量。由於患者肝臟苯丙氨酸羥化酶的缺少，使苯丙氨酸不能正常代謝生成酪氨酸而在血液中大量蓄積，造成神經系統損害，且苯丙氨酸又經旁路代謝生成苯丙酮酸、苯乙酸，經尿液大量排出，造成患兒尿液有鼠尿味。苯丙氨酸是必須氨基酸，供應不足也會導致生長發育遲緩，嚴重會導致死亡。所以，苯丙氨酸既不能攝入太多，也不能攝入太少，由於天然蛋白質中均含有4～6%的苯丙氨酸，所以必須控制天然蛋白質的攝入，而以低或無苯丙氨酸的奶粉、蛋白粉作為PKU患兒蛋白質的主要來源。總蛋白質攝入量中80%來自人工蛋白質，20%來自天然蛋白質，還要保證給予足夠的熱量。治療中既要嚴格限制苯丙氨酸的攝入，以防止苯丙氨酸及其代謝產物的異常蓄積，又要滿足機體的需要，從而保證患兒的正常發育。對乳兒母乳仍是最好的飲食，給予計算量的母乳，對患兒的發育十分有利，因此切忌停餵母乳。
飲食治療還必須考慮到個體的差異，由於患兒苯丙氨酸羥化酶的活性缺陷程度差別很大，因此飲食治療要堅持個體化的原則，而且由於各年齡段患兒蛋白質、熱量、苯丙氨酸需要量和耐受量的不同，應根據每個患兒的年齡、體重、血Phe濃度制定和調整食譜，使血苯丙氨酸濃度控制在適當的水平。（見表1、2、3）壹般壹歲以下患兒每個月調整壹次食譜，壹歲以上的可兩個月調整壹次，學齡兒童可以3～4個月調整壹次。
制定食譜時，先根據患兒情況計算出每日蛋白質、苯丙氨酸和熱量的需要量，再安排具體飲食。
飲食治療的時限，過去認為治療到大腦發育成熟以後（即8歲）即可停止。但是，近年的治療實踐證明，如過早地停止治療患兒會出現智力倒退，成人患者也可能出現不同程度的各種精神行為異常，特別是女性患者如妊娠期血苯丙氨酸過高，會造成胎兒腦損害。因此目前國際上主張至少應治療到患兒青春期發育成熟，最好是終生治療，成年後可以適當放寬飲食限制。
現在我國已經有低或無苯丙氨酸的制劑，各地選用最多的是由政府批準用於苯丙酮尿癥的特殊營養飲食--維思多系列低或無苯丙氨酸的奶粉、蛋白粉、澱粉以及飲料等。國內也有其他廠家試制的同類產品。制劑的質量對療效影響非常大，選用時應予註意。
為保證療效，應定期監測血苯丙氨酸濃度（見表4），正常人血苯丙氨酸濃度為1～2mg/dl,未經治療的典型PKU壹般苯丙氨酸血濃度>20mg/dl，多在20～50mg/dl之間，>50mg/dl少見。在飲食治療後血Phe濃度監測第壹個月應每周復查1～2次，以後每月壹次。PKU患兒血苯丙氨酸濃度控制如何，蛋白質、熱量等供給是否充足是飲食治療的關鍵。如果蛋白質、熱量供給不足，會造成營養缺乏，使體內蛋白質分解，同樣會造成血Phe升高。還應定期復查血色素、白蛋白、腦電圖、體格和智力發育情況等，必要時應進行血氨基酸分析，測定酪氨酸水平，支鏈氨基酸和芳香氨基酸的比值等。
對於非典型苯丙酮尿癥的治療除了飲食治療以外，還應補充多種神經介質，如BH4、多種神經介質，如BH4、多巴、5-羥色胺、葉酸等。
對於有其他合並癥的患兒應予以對癥治療。例如合並有癲癇發作的患兒，應及早開始進行正規的抗癲癇藥物治療。患有濕疹的患兒在血Phe濃度控制滿意後，可自愈，如濕疹嚴重，可給予外用藥對癥治療。
腦損傷引起的智力落後是不可逆的，但如果經過智力康復，也會有不同程度的提高，有的甚至可能有顯著進步。對於條件許可的家庭，可以考慮對患兒進行智力康復的訓練，對於智力重度落後的患兒，訓練目的是培養基本生活自理能力，而對於輕中度落後的患兒在培養其生活能力的基礎上，還應進行相應的生存技能的訓練。
PKU患兒早期發現、早期治療療效最佳。有的可以完全達到正常人的智力水平，但也不要放棄任何壹個可以治療的患兒。過去教科書中曾記載6個月以上的患兒沒有必要進行治療，我們的經驗說明任何年齡的患兒經過治療後，智力都有不同程度進步，可以生活自理。