Choroba dziedziczona w sposób autosomalny recesywny, powodowana mutacjami w genach BCKDHB( w locus 6q14.1) i BCKDHA(w locus 19q13.2). Skutkują one niedoborem lub brakiem aktywności kompleksu enzymatycznego dehydrogenezy rozgałęzionych α-ketokwasów, który katalizuje przemianę aminokwasów rozgałęzionych: leucyny, izoleucyny i waliny. We krwi, płynie mózgowo-rdzeniowym i moczu dochodzi do gromadzenia α-ketokwasów oraz leucyny, izoleucyny i waliny, co prowadzi do wystąpienia objawów klinicznych: charakterystycznego zapachu syropu klonowego moczu, problemów z karmieniem,a także spowolnienia rozwoju umysłowego i fizycznego. Wyróżnia się 5 klinicznych podtypów choroby, od których zależy stopień ciężkości objawów. Przebieg schorzenia zależy od fenotypu: klasyczny- najczęstszy i najcięższy, przepuszczający, pośredni, tiaminozależny i związany z deficytem podjednostki E3 (dehydrogenazy dihydrolipoamidowej)
Postać nieklasyczna choroby związana jest z mutacją w genie DBT, mapowanym na chromosomie 1p21.2