A PEO szindróma tünetei az izmok és egyéb szervrendszerek sejtjeinek energiatermelési zavarából következő károsodások miatt alakulnak ki. 

A szemhéjcsüngés mellett a betegség kezdetén előforduló tekintésgyengeség miatt a betegek a szemük helyett a fejüket fordítják a megtekintendő tárgyak, személyek irányába. A sok beteg által tapasztalt kettőslátás és/vagy kancsalság is a tekintésgyengeség egyik jele. 

A betegség előrehaladtával egyéb szervek is érintetté válhatnak, ilyenkor PEO+ szindróma névvel illetjük a betegséget.

A károsodott sejtanyagcsere a szemizmokat követően általában a végtagok izmainak gyengeségét, csökkent terhelhetőségét, elhúzódó izomlázát és méretbeli csökkenését eredményezi. A végtagok izmai mellett a szív és a nyelőcső izomzata is érintett lehet, melynek megfelelően nyelészavar vagy fáradékonyság, és csökkent terhelhetőség jelentkezik. Egyes esetekben a végtagok gyengeségét és méretbeli csökkenését a perifériás idegek bántalma okozza, mely rendszerint a végtagok zsibbadásával is jár. Szintén az idegek bántalmából adódik az egyesek által tapasztalt jelentős nagyot hallás vagy siketség, és koordinációs zavar is.  

A sejtmagi DNS-en kódolt gének közül elsősorban a POLG, TWNK és RRM2B gének mutációi képesek a betegséget kiváltani. A POLG, TWNK, és RRM2B gének különböző, a mitokondriális DNS javításáért és átíródásért felelős fehérjét kódolnak, melyek hibája esetén a mitokondriális DNS károsodik. Így végsősoron mindegyik fent nevezett gén mutációja a sejtek energiatermelésének zavarát okozza. A betegség a TWNK és RRM2B gének mutációi esetén autoszómális domináns módon, míg a POLG gén mutációi esetén mind autoszómális recesszív, mind autoszómális domináns módon is öröklődhet. A betegség kialakulásában szerepet játszó génből minden emberben két példány van jelen, egy az apától, egy az anyától származik. A domináns betegségek esetében a két példány egyikének a sérülése elegendő a betegség kialakulásához. A mutációt hordozó gént valamelyik szülőtől örököljük, vagy ritkább esetekben újonnan alakul ki a betegnél. A mutációt hordozó gén továbbadásának esélye 50% minden várandósság esetén, függetlenül a magzat nemétől. Recesszív betegség esetén a betegség kialakulásához mindkét génpéldány sérülése szükséges. Amennyiben nem újonnan kialakult mutáció felelős a betegségért, akkor mindkét szülő hordozó. Ez azt jelenti, hogy bennük csak egy génpéldány sérült, mely a betegség kialakulásához nem elegendő, azonban annak az esélye, hogy mindkét szülő a károsodott gént adja tovább, és a gyermek érintett lesz, 25% minden várandósság esetén, függetlenül a magzat nemétől. 

A betegséget a mitokondriális DNS-en lévő mutációk is okozhatják. Ez leggyakrabban az MT-TL1 gén mutációját jelenti, mely a mitokondriális fehérjék képződéséhez szükséges aminosavak szállításáért felelős fehérjéket kódolja. Ritka esetben egyéb gének eltérései is kiválthatják a betegséget. A mitokondriális DNS mutációira visszavezethető PEO szindróma esetén fontos kiemelni, hogy a sejtekben egyszerre több mitokondrium és többféle (jó és nem megfelelő energiatermeléssel járó) mitokondriális DNS változat van jelen, így az egyes mutációk kifejeződése igen változatos lehet. Ha a sejteken belül a nem megfelelő energiatermeléssel járó mutációval rendelkező mtDNS aránya elér egy bizonyos küszöböt, akkor a tünetek különböző mértékben és minőségben, de meg fognak jelenni. Ezt nevezzük treshold effektusnak. Ezek az arányok testen belül eltérőek lehetnek, így az egyes izomcsoportok vagy szervrendszerek érintettsége is eltérő lehet. 

Ebben az esetben a betegség maternálisan, vagyis anyai módon öröklődik, azaz a betegséget okozó mutációt - amennyiben nem újonnan kialakult mutáció által alakult ki - az édesanyák örökítik tovább, és általában számos utóduk érintett lehet. Azonban azt, hogy a mutáns és megfelelő energiatermelést biztosító DNS-ű mitokondriumok milyen arányban öröklődnek tovább, azaz, hogy a betegség az utódokban is megfog-e jelenni, jelenleg nem tudjuk megbecsülni.