PKU是一種遺傳性疾病，故新生兒即有高苯丙氨酸血癥，因未進食，血苯丙氨酸及其有害的代謝產物濃度不高，故出生時無臨床表現。如果對新生兒未作苯丙酮尿症篩選，隨著餵食的時間延長，血中苯丙氨酸及其代謝產物逐漸升高，臨床症狀才漸漸表現出來。主要臨床表現有：
1、生長髮育遲緩：除軀體生長髮育遲緩外，主要表現在智力發育遲緩。表現在智商低於同齡正常嬰兒,生後4～9個月即可出現。重型者智商低於50，約14%以上兒童達白痴水平，語言發育障礙尤為明顯。這些表現提示大腦發育障礙。限制新生兒攝入苯丙氨酸可防止智力發育障礙，重型PKU患兒智力發育障礙比輕型者血中苯丙氨酸濃度高，據此可以認為智力發育障礙與苯丙氨酸毒性有關，但更為詳細的病理生理機制仍不清楚。
2、神經精神表現：由於有腦萎縮而有小腦畸形，反覆發作的抽搐，但隨年齡增大而減輕。肌張力增高，反射亢進。常有興奮不安、多動和異常行為。
3、面板毛髮表現：面板常乾燥，易有溼疹和面板劃痕症。由於酪氨酸酶受抑，使黑色素合成減少，故患兒毛髮色淡而呈棕色。
4、其他：由於苯丙氨酸羥化酶缺乏，苯丙氨酸從另一通路產生苯乳酸和苯乙酸增多，從汗液和尿中排出而有黴臭味(或鼠氣味)。
一般而言，臨床表現與PAH基因突變的型別與臨床表型的嚴重性相關，輔因子缺乏比PAH蛋白異常的臨床表型較輕。
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