Hầu hết nam giới sinh ra với hội chứng Klinefelter sống suốt đời mà không được chẩn đoán. Khi được thực hiện, chẩn đoán thường xảy ra vào tuổi trưởng thành. Chỉ định thường gặp nhất để làm xác định kiểu nhân là thiểu năng sinh dục và vô sinh. Tỉ lệ tử vong cũng không cao hơn đáng kể so với người bình thường.

Lý do bệnh nhân đi khám thường nhất là vô sinh và vú to. Các than phiền khác bao gồm mệt mỏi, yếu, rối loạn cương, loãng xương, rối loạn ngôn ngữ, khó khăn trong học hành, khoái cảm tình dục dưới mức bình thường, tính tự trọng kém, và các rối loạn hành vi.

Về thực thể, trẻ sơ sinh và trẻ nhỏ có chiều cao, cân nặng và vòng đầu bình thường. Khoảng 25% có biểu hiện lệch ngón (clinodactyly). Tốc độ phát triển chiều cao tăng vào lúc 5 tuổi, và chiều cao người lớn thường hơn mức trung bình. Ngoài ra, tay và chân cũng dài không theo tỉ lệ thông thường của cơ thể. Một số người với thể Klinefelter 49,XXXXY có vóc người thấp.

Hầu hết nam 47,XXY có trí thông minh bình thường. Nền tảng gia đình ảnh hưởng đến IQ. Trí tuệ dưới mức bình thường hoặc chậm phát triển tâm thần có thể liên hệ với sự hiện diện của nhiều nhiễm sắc thể X hơn.

Khoảng 70% bệnh nhân có giảm chút ít về năng lực phát triển tâm thần và học hành, bao gồm khó khăn trong học tập, học ngôn ngữ và nói muộn, giảm trí nhớ ngắn hạn, giảm kĩ năng phục hồi dữ liệu, đọc khó, rối loạn đọc (dyslexia), và khiếm khuyết khả năng chú ý. Bệnh nhân cũng có thể biểu hiện rối loạn hành vi và tâm lý. Điều này có thể do sự tự trọng và phát triển tâm lý xã hội kém, hoặc khả năng xử lý căng thẳng giảm. Các rối loạn tâm thần khác như lo lắng, trầm cảm, loạn thần kinh chức năng (neurosis), và rối loạn loạn thần (psychosis) cũng thường gặp hơn trong nhóm này so với dân số chung.

Răng bò (taurodontism, răng hàm phình to do tuỷ nở rộng) gặp ở 40% bệnh nhân, trong khi tỉ lệ mắc ở người XY bình thường là 1%.

Về các đặc điểm giới tính, bệnh nhân có thể mất các đặc điểm giới tính thứ phát do giảm sản xuất androgen, với biểu hiện lông ở mặt, thân, cơ quan sinh dục thưa, giọng nói cao, và phân bố mỡ theo kiểu phụ nữ. Vào giai đoạn trễ của tuổi dậy thì, khoảng 30-50% trẻ nam mắc hội chứng Klinefelter biểu hiện vú to thứ phát do tăng estradiol và tăng tỉ lệ estradiol/testosterone. Nguy cơ phát triển carcinoma vú cao hơn ít nhất 20 lần so với người bình thường. Loạn sản tinh hoàn (tinh hoàn nhỏ, chắc, kích thước <10ml) có thể có ở bệnh nhân sau dậy thì. Vô sinh, vô tinh trùng có thể do bất sản teo ống sinh tinh. Vô sinh gặp ở tất cả bệnh nhân 47,XXX; ở bệnh nhân thể khảm 46,XY/47,XXY có thể còn khả năng sinh sản. Bệnh nhân cũng có thể tăng tần suất u tế bào mầm ngoài sinh dục như carcinoma phôi, u quái và u tế bào mầm trung thất nguyên phát.

Về các rối loạn tuần hoàn và tim, sa van hai lá gặp ở 55% bệnh nhân, dãn tĩnh mạch ở 20-40%, loét tĩnh mạch 10-20 lần cao hơn bình thường, nguy cơ huyết khối tĩnh mạch sâu và thuyên tắc phổi cũng tăng.

Xét nghiệm di truyền tế bào cho thấy bất thường về kiểu nhân, 47,XXY hoặc các kiểu nhân của các biến thể khác. Định lượng hormone máu cho thấy nồng độ FSH, LH và estradiol tăng trong huyết tương, còn testosterone thì giảm ở bệnh nhân 12-14 tuổi. Đáp ứng tăng testosterone khi tiêm hCG ở mức dưới bình thường. Gonadotropin niệu tăng do bất thường chức năng tế bào Leydig. Nồng độ osteocalcin huyết thanh tăng và tỉ lệ hydroxyl proline/creatinine tăng, phản ánh giảm tạo xương và tăng tái hấp thu xương.

Khảo sát hình ảnh cho thấy sa van hai lá trên siêu âm, giảm mật độ xương chi dưới, dính xương quay trụ, và răng bò trên X quang.

Khảo sát mô học cho thấy tinh hoàn nhỏ, chắc với hiện tượng hyalin hoá, xơ hoá và teo ống sinh tinh kèm tăng sản khu trú của các tế bào Leydig hầu hết đã bị thoái hoá. Tế bào mầm giảm đáng kể hoặc không có. Hiện tượng sinh tinh trùng hiếm được bắt gặp. Ở bệnh nhân thể khảm, hyalin hoá và thoái hoá tiến triển ống sinh tinh xảy ra sau dậy thì mặc dù lúc dậy thì tinh hoàn có kích thước bình thường và có hiện tượng sinh tinh trùng. Mô học của vú to cho thấy tăng sản mô gian ống. Đột biến số lượng NST dạng thể ba ở cặp NST giới tính là hội chứng xảy ra ở trẻ trai có hai hoặc đôi khi nhiều hơn 2 nhiễm sắc thể giới tính X, mà vẫn có nhiễm sắc thể chân tay dài, thân cao không bình thường, tinh hoàn nhỏ, si đần, ko có con.