线粒体脑病发病时表现多样，神经系统可出现癫痫发作、认知功能障碍、运动障碍；眼部有眼外肌麻痹、视力下降；还有儿童生长发育迟缓、少数患者心脏受累等情况，均因线粒体功能异常影响相关组织器官的能量代谢等导致。
癫痫发作：较为常见，可表现为各种类型的癫痫发作，如全身性强直-阵挛发作等。研究表明，线粒体脑病患者中约有一定比例会出现癫痫发作，其机制与线粒体功能异常导致神经元的能量代谢障碍，进而影响神经元的电生理活动有关。不同年龄的患者都可能发生癫痫，儿童患者可能在生长发育过程中逐渐出现癫痫症状，随着年龄增长，发作形式和频率可能会有所变化。
认知功能障碍：患者可能出现记忆力减退、学习能力下降等情况。对于儿童患者，可能表现为在学校中成绩逐渐落后，难以跟上正常的学习进度；成年患者可能在工作中出现注意力不集中、决策能力下降等问题。这是因为线粒体功能异常影响了大脑神经元的正常代谢和功能，进而影响了大脑的认知功能区域。
运动障碍：可以出现肌张力异常，如肌张力增高或降低，导致患者运动不协调。部分患者还可能出现肢体无力的情况，例如行走困难、持物不稳等。在儿童患者中，可能会影响其正常的运动发育，如坐、站、走等大运动发育落后于同龄人。这是由于线粒体异常影响了肌肉细胞或神经系统中与运动调控相关结构的能量供应，从而导致运动功能障碍。
眼部症状
眼外肌麻痹：患者可出现眼球运动障碍，表现为双侧眼球运动受限，尤其是水平或垂直方向的运动不能自如进行。这种情况在一些线粒体脑病患者中较为典型，是因为眼部的眼外肌细胞中线粒体功能异常，影响了肌肉的正常收缩和舒张功能。
视力下降：部分患者可能出现视力下降的情况，可能与视网膜等眼部结构中线粒体功能异常有关，影响了视觉信号的传导和处理过程。不同年龄的患者视力下降的表现可能有所不同，儿童患者可能在视觉发育阶段受到影响，导致视力发育迟缓等问题。
其他系统症状
生长发育迟缓：在儿童线粒体脑病患者中较为常见，表现为身高、体重增长缓慢，低于同年龄、同性别儿童的正常生长曲线。这是因为线粒体功能异常影响了身体的能量代谢，进而影响了儿童的生长发育过程，包括细胞的增殖、分化等过程受到干扰。
心脏受累：少数患者可能出现心脏方面的症状，如心律失常等。线粒体功能异常可影响心肌细胞的能量供应，导致心肌细胞的电生理活动异常，从而引发心律失常等心脏问题。不同年龄的患者心脏受累的表现可能不同，儿童患者可能在早期不易被察觉，成年患者可能在运动或劳累后出现心悸等不适症状。
