Patológicamente, la encefalopatía se traduce en lesiones isquémicas difusas de la materia gris cortical y subcortical

En un 25% de los casos, la MELAS es acompañada por otros signos o síntomas sistémicos, entre los que destacan la pérdida de oído (25%) la retinopatía pigmentaria (10% al 40%), la cardiomiopatía (15%) y la estatura baja