苯丙酮尿症属于常染色体隐性遗传病，该病由编码苯丙氨酸羟化酶的基因突变引起。
苯丙氨酸是人体必需的氨基酸之一，正常人每日通过食物摄入，在肠道经消化分解吸收入血后，2/3的苯丙氨酸在肝细胞中苯丙氨酸羟化酶作用下转化为酪氨酸，以合成甲状腺素、肾上腺素和黑色素等人体重要的激素；另外一部分苯丙氨酸用于蛋白质的合成；仅有少量的苯丙氨酸在肝脏转氨酶的作用下变成苯丙酮酸。
苯丙氨酸转化为酪氨酸的过程中，除需苯丙氨酸羟化酶外，还必须有四氢生物蝶呤（BH4）作为辅酶参与。相关基因变异会造成患儿体内相关酶的活性缺陷，而不能将苯丙氨酸转化为酪氨酸，致使苯丙氨酸在血液、脑脊液及组织中积聚。
同时，由于苯丙氨酸代谢为酪氨酸通路受阻，就会促使旁路代谢增强，苯丙氨酸通过肝脏代谢产生大量的苯丙酮酸等有害代谢产物，导致脑损伤等，患儿出现相应的临床症状。
苯丙酮尿症是常染色体隐性遗传病，通常父母双方均为致病基因变异携带者才可能导致子代患病。
常染色体隐性遗传疾病的特点如下：
首先，致病基因位于常染色体，而不是性染色体，因此男女均可发病；
其次，隐性遗传是指父母双方均为致病基因变异携带者，通常不患病，其生育的后代有四种可能：
近亲结婚是苯丙酮尿症的高危因素。
因为苯丙酮尿症患儿的父母双方均为苯丙酮尿症致病基因携带者。而近亲婚配时，父母双方均为苯丙酮尿症致病基因携带者的概率更高。
