PKU är en autosomal recessiv metabola genetisk sjukdom. Som en autosomal recessiv sjukdom, två PKU-alleler som krävs för en individ att uppvisa symptom på sjukdomen. Om båda föräldrarna är bärare för PKU, det är en 25% chans att ett barn som de har kommer att vara född med sjukdomen, en 50% chans att barnet kommer att vara en bärare och 25% chans att barnet kommer heller inte att utveckla eller vara bärare av sjukdomen.
PKU kännetecknas av homozygot eller sammansatt heterozygota mutationer i genen för levern enzymet fenylalanin hydroxylas (PAH), vilket gör det icke. Detta enzym är nödvändigt för att metabolisera aminosyran fenylalanin (Phe) till aminosyran tyrosin (Tyr). När PAH-aktiviteten minskas, fenylalanin ackumuleras och omvandlas till phenylpyruvate (även känd som phenylketone), som kan påvisas i urinen.
Bärare av en enda PKU-allelen inte uppvisar symtom på sjukdomen, men verkar vara skyddade till viss del mot svampgift ochratoxin A. Detta står för uthållighet av allel i vissa populationer i att det ger en selektiv fördel—med andra ord, att vara en heterozygote är fördelaktigt.
PAH-genen är belägen på kromosom 12 i band 12q22-q24.1. Mer än 400 sjukdomsframkallande mutationer har hittats i PAH-genen. Detta är ett exempel på genetisk genetisk heterogenitet.