线粒体脑肌病的典型症状因不同类型而有所差异，具体如下：
- 慢性进行性眼外肌瘫痪（CPEO）：多在儿童期或 30 岁之前起病。主要表现为缓慢进展的眼睑下垂，逐渐发展为全部眼外肌瘫痪，眼球运动障碍，双侧眼外肌对称受累，复视不常见，部分病人还会有咽肌和四肢肌无力。
- Kearns - Sayre 综合征（KSS）：20 岁前起病，进展较快，具有三联征，即 CPEO、视网膜色素变性和心脏传导阻滞。还可能出现小脑性共济失调、脑脊液蛋白增高、神经性耳聋和智能减退等症状。
- 线粒体脑肌病伴高乳酸血症和卒中样发作（MELAS）综合征：多在 40 岁前起病，儿童期发病较多。突发卒中样发作，如偏瘫、偏盲或皮质盲、反复癫痫发作、偏头痛和呕吐等，病情会逐渐加重，部分患者还可能有身材矮小、运动不耐受、智力发育迟滞等问题。
- 肌阵挛性癫痫伴肌肉破碎红纤维（MERRF）综合征：多在儿童期发病，主要表现为肌阵挛性癫痫、小脑性共济失调和四肢近端无力等，可伴多发性对称性脂肪瘤。
线粒体脑肌病还可能有一些共同的临床表现：
- 中枢神经系统损害：如精神发育迟滞、心理障碍、精神障碍、焦虑、痫性发作、认知障碍、共济失调、偏头痛、脊髓病、急性偏盲、失语等卒中样表现，以及运动异常如肌阵挛、肌张力障碍等。
- 骨骼肌损害：表现为运动不耐受、肌无力和骨骼肌溶解等。
- 眼损害：除了眼外肌麻痹外，还可能有皮层盲、色素性视网膜病、视神经病、白内障等。
- 听神经损害：可出现听力丧失。
- 周围神经损害：表现为感觉神经病和交感神经病。
- 其他：部分患者还可能出现生长发育迟缓、身材矮小、内分泌功能低下、甲状旁腺功能低下等症状，少数有家族遗传史的患者可出现多发性的脂肪瘤。