Se realiza en embarazos con aumento de riesgo mediante análisis de ADN extraído de fibroblastos fetales obtenidos de vellosidades coriónicas en la semana 10 a 12, o de amniocentesis en la semana 15-18 del embarazo. También puede realizarse el diagnóstico molecular del gen PAH si se han identificado las mutaciones causantes de la enfermedad en un miembro afectado en la familia.
Si un niño es diagnosticado con PKU, otros miembros de la familia pueden ser más propensos a concebir niños con PKU. El análisis del genotipo también puede ayudar a determinar la probabilidad de respuesta del BH4, debido a que hay ciertas mutaciones que se correlacionan con la capacidad de respuesta y no respuesta a BH4