蛋白質-熱量營養不良癥的發生是一個復雜的病理生理過程。當食物中蛋白質和能量供應不足時，機體開始通過生理調節降低組織器官對營養素的需要，可使機體在低營養水平的內環境中生存，但當蛋白質和能量繼續缺乏時，生理功能失調，適應機制衰竭，便可導致死亡。蛋白質-熱量營養不良癥可引起其他營養物質，如維生素B1、維生素B6、葉酸、鐵、鎂等缺乏，常合并存在低鉀血癥、低鎂血癥、低磷酸鹽血癥。這些因素均可參與加重營養不良和對臟器損害。
蛋白質-熱量營養不良癥病人因精神委靡、動作遲緩、代謝率低下，心臟負荷相對較輕，臨床可不出現心力衰竭癥狀。肝臟大、胸膜腔積液和周圍性凹陷性水腫多為營養不良所致，所以較長時間來，人們對蛋白質-熱量營養不良癥引起的心臟改變認識不足。直至1958年Gomez報道kwashiorkor病人心臟擴大，心排血量下降，并引起難治性心力衰竭，方使人們對此病重新認識。1962年Smythe報道kwashiorkor病人心臟重量較正常人明顯減輕。1971年Piza對93例蛋白質-熱量營養不良癥病兒死后尸檢，證實56例心臟損害嚴重，其損傷程度足以引起心力衰竭癥狀；肺淤血和肝小葉中央淤血證實病人生前有心力衰竭。說明蛋白質-熱量營養不良癥可造成營養性心肌病，引起致命性心力衰竭。
蛋白質代謝
當蛋白質和能量供應不足時，血漿中蛋白質含量下降，蛋白質的合成和分解速率減慢。
白蛋白：體庫的含量減少，主要是血管外部分，分解和合成速率下降，當血清白蛋白下降到30g/L時，體內其他物質如脂蛋白、丙氨酸、纈氨酸等都出現明顯改變。
球蛋白：血漿中的濃度及在體內分布的改變并不明顯，但血漿鐵蛋白顯著下降。
體內蛋白轉換率：體內各組織器官蛋白質的缺乏程度雖有不同，但合成和分解速率都有改變；一般在蛋白質缺乏開始5～6周后，轉換率下降30%。動物實驗時供給高蛋白飼料，23%的氨基酸轉變為尿素排出體外，但蛋白質不足時，僅有3.4%的氨基酸轉變成尿素，氮的排出量減少。
氨基酸代謝
嚴重的蛋白質-熱量營養不良癥時，血漿中氨基酸濃度可下降至正常的1/2，尤其是支鏈氨基酸和蘇氨酸更為明顯。水腫型者纈氨酸可降到30μmol/L（正常兒童為250μmol/L），丙氨酸在水腫前期血漿中的濃度升高，可能是由于糖原異生作用加強或尿素生成減少所致，到后期丙氨酸作為形成葡萄糖的物質而被利用，此時血漿中的濃度降低。苯丙氨酸與酪氨酸比值在晚期蛋白質-熱量營養不良癥時也出現下降。
糖類代謝
蛋白質-熱量營養不良癥時，血糖一般降低，消瘦型比水腫型更為明顯，糖原異生作用加強。研究證明，營養不良的兒童，8%的葡萄糖來自蛋白質分解產物，恢復期可增至16%。
脂類代謝
蛋白質-熱量營養不良癥者常并發脂肪肝。消瘦型血中三酰甘油、膽固醇、β-脂蛋白的含量正常或略增高。水腫型血中三酰甘油、膽固醇、β-脂蛋白的含量正常或略偏低。
體液和礦物質
蛋白質-熱量營養不良癥不論是消瘦型還是水腫型，均有體液潴留，發生水腫。血管外體液間隙的擴大是體液增加的主要原因，水腫的程度與低白蛋白血癥有關。水腫的發生機制可見圖1。蛋白質-熱量營養不良癥者總體鉀含量和鎂的含量降低，鈉的含量增加。
營養不良癥
蛋白質-熱量營養不良癥分以下3型：①嚴重蛋白質缺乏（kwashiorkor），熱量主要由碳水化合物供給；②嚴重能量攝入不足（marasmus），又稱為消瘦衰弱癥；③混合型（kwashiorkor marasmus）。“kwashiorkor”系非洲加納語譯音，譯意為“紅小孩”，源自該病病兒毛發和皮膚常發紅之故，此因食物中蛋白質和必需氨基酸嚴重不足，導致毛發由黑色變灰色或紅色，皮膚粗糙。Kwashiorkor又被稱為惡性營養不良綜合征（malignant malnutrition syndrome）。