В основе заболевания лежит генетический дефект синтеза белка медь-транспортирующей АТФ-азы В типа (ATP7B) в печени, которая определяет транспорт меди в аппарат Гольджи и ее последующее выделения лизосомами в желчь. В результате отмечается значительное снижение экскреции меди с желчью, что приводит к ее накоплению в гепатоците. Это сопровождается нарушением включения меди в церулоплазмин, содержание которого в сыворотке падает менее 200 мг/л (в результате уменьшения его синтеза в печени), что имеет диагностическое, но не патогенетическое значение.
Подозрение на наличие болезни Вильсона-Коновалова  должно послужить основанием для исследования уровня сывороточного церулоплазмина, суточной экскреции меди с мочой, осмотра в щелевой лампе на предмет выявления роговичного кольца Кайзера–Флейшера. Биопсия печени выступает в качестве «золотого стандарта» в диагностике заболеваний печени и позволяет в большинстве случаев установить нозологическую форму гепатита или гепатоза, выраженность воспалительной активности и стадию фиброза печени.
В дифференциально-диагностическом плане, необходимо помнить, что низкие уровни церулоплазмина в сыворотке крови могут быть выявлены также при нефротическом синдроме (потеря белка с мочой), заболеваниях ЖКТ (нарушение всасывания аминокислот), тяжелых заболеваниях печени (в 23%случаев) вследствие нарушения его синтеза, заболеваниях ЦНС (у 15% пациентов).
Содержание церулоплазмина увеличивается в 1,5-2 раза при злокачественных заболеваниях различной локализации (рак легкого, молочной железы, шейки матки, ЖКТ). Увеличение содержания церулоплазмина пропорционально распространенности процесса.