PAH omdanner normalt aminosyren fenylalanin til tyrosin. Om enzymet mangler eller er defekt, finner ikke denne reaksjonen sted, og nivået av fenylalanin i kroppen blir langt høyere enn normalt, og nivået av tyrosin unormalt lavt. Overskudd av fenylalanin i blodet skader utviklingen av hjernen hos barn og fører til mental retardasjon. Hjernen vokser sakte, blir liten (microcephalia) og intelligensnivået vil sjelden tilsvare en IQ over 60. Lavt innhold av tyrosin medfører minsket produksjon av pigmentet melanin, så barn med denne tilstanden er gjerne lyse i håret og har blå øyne (eller de har lysere hår og øyne enn andre familiemedlemmer). Den økte mengden av fenylalanin blir isteden omdannet til fenylketoner som blir utskilt i urinen - herfra kommer navnet på tilstanden. Svetten og urinen til et påvirket barn har en stikkende lukt på grunn av disse ketonene.