La forme classique à début néonatal se manifeste dans la première semaine de vie : troubles de la conscience, refus de boire, signes neurologiques et mouvements anormaux de type « pédalage ».

Chez une personne non atteinte de leucinose, le taux sanguin de leucine est compris entre 1 et 5 mg/100ml, de valine entre 1,5 et 5 et d’isoleucine entre 0,5 et 3.

Chez une personne atteinte par cette pathologie, le taux de leucine dépasse 26 mg/100ml, ceux de valine et d’isoleucine sont compris entre 8 à 10 et 3 à 7 mg/100ml.

L’évolution, sans traitement, se tourne vers un profond coma. Le décès peut survenir en 10 ou 15 jours.

Il existe aussi des formes à révélation tardives dites « intermédiaires » se présentant comme une encéphalopathie avec un retard mental ou sous la forme de comas à répétition.

Le diagnostic se fonde sur la présence dans le sang de quantités élevées de valine, leucine et isoleucine et des acides cétoniques correspondants, une augmentation de leur excrétion urinaire, l’odeur caractéristique de l’urine et le retour vers la normale quand on réduit les quantités de valine, isoleucine et leucine.