医学的な本質に迫ると、本症は性染色体の過剰によって生じる疾患です。通常の男性核型が「46,XY」であるのに対し、X染色体が1本以上過剰に存在するクラインフェルター症候群の染色体異常47XXYが全体の約80〜90%を占めます（残りはモザイク型や48,XXXYなど）。この過剰なX染色体上の遺伝子発現と、それに伴う精巣間質細胞（ライディッヒ細胞）の機能低下が、全身に多彩な影響を及ぼします。
全身に現れるクラインフェルター症候群の身体的特徴として代表的なものが「高身長と長い四肢」です。骨端線の閉鎖（骨の成長停止）にはエストロゲンとテストステロンの相互作用が不可欠ですが、ホルモンバランスの崩れによって成長線が閉じる時期が遅れ、特に下肢の骨管が長く伸長します。骨格は細身で華奢な印象を与えることが多く見られます。
さらに注目すべきは、思春期以降にみられるクラインフェルター症候群の女性化乳房です。テストステロンに対するエストロゲンの血中比率が相対的に高まるため、乳腺組織が発達し、約30〜50%の当事者に乳房の腫大や圧痛が現れます。そして、成人に至って極めて深刻な課題となるのがクラインフェルター症候群が男性不妊の原因となる点です。精細管の線維化と硝子様変性によって精子形成機能が著しく障害され、大半が無精子症または高度乏精子症を呈します。クラインフェルター症候群の特徴は、顔立ちというよりも内分泌系と生殖機能の局面に色濃く刻まれています。
