Les trois principaux systèmes affectés par l'intoxication à l'éthylène glycol sont le système nerveux central, les voies métaboliques et les reins. Le système nerveux central est le premier touché au cours de l'intoxication par effet toxique direct de l'éthylène glycol. De la même manière que l’éthanol, il provoque une intoxication, suivi de somnolence ou de coma. Des convulsions peuvent se produire en raison d'un effet toxique direct du produit. Le mécanisme de l’intoxication par l'éthylène glycol est principalement lié à l’action des métabolites de l'éthylène glycol. Au départ, il est métabolisé par l’alcool déshydrogénase en glycolaldéhyde qui est alors oxydé en acide glycolique. L'élévation des métabolites peut provoquer une encéphalopathie ou un œdème cérébral. Les effets métaboliques se produisent 12 à 36 heures après l'ingestion, ce qui provoque principalement une acidose métabolique, principalement due à l’accumulation d'acide glycolique. En outre, comme effet secondaire des deux premières étapes du métabolisme, il se produit une augmentation de la concentration sanguine d’acide lactique contribuant à l’acidose lactique. La formation de métabolites acides provoque également l'inhibition de l'autre voie métabolique, comme la phosphorylation oxydative.
L’atteinte rénale par l'éthylène glycol se produit 24 à 72 heures après l'ingestion et est provoquée par un effet cytotoxique de l'acide glycolique. L'acide glycolique est ensuite métabolisé en acide glyoxylique et, enfin, en acide oxalique. L'acide oxalique se lie au calcium pour former des cristaux d'oxalate de calcium qui peuvent se déposer et causer des dommages dans de nombreuses régions du corps, y compris le cerveau, le cœur, les reins et les poumons. L'effet le plus significatif est l'accumulation de cristaux d’oxalate de calcium dans les reins qui provoque des lésions rénales conduisant à l’oligurie ou l’anurie et l’insuffisance rénale aiguë. Le facteur de limitation dans cette cascade est la conversion d’acide glyoxylique en acide glycolique. L'accumulation d'acide glycolique dans le corps est le principal facteur responsable de la toxicité du produit.
Les symptômes de l'intoxication par l'éthylène glycol suivent généralement une progression en trois étapes, bien que les personnes intoxiquées puissent ne pas développer toujours chaque étape.