侵された側の交感神経麻痺により、同側の上眼瞼板筋(Mueller筋)の麻痺で眼瞼下垂が生じ、下眼瞼にも同様の筋があるため下眼瞼は上昇して眼裂狭小が出現する。また、同側の瞳孔縮小と外見上の眼球のわずかな陥没が起こる。加えて、同側の顔面の発汗量が減少する。
眼と脳を接続する交感神経線維は３つのニューロンで構成される。第１ニューロンはまず脊髄（第8頸髄-第4胸髄）を下降し（視床下部より毛様体脊髄中枢まで）、第２ニューロンは肺尖部を通り頸動脈の近傍に至り（脊髄の中枢から頸部交感神経節まで）、第3ニューロンは上行しつつ頭蓋の海面静脈同を経由して眼瞼に到達する（頸部交感神経節から末梢のMueller筋と瞳孔散大筋と顔面の汗腺まで）。この経路の神経線維が障害を受けると、ホルネル症候群が生じる。（第１ニューロンの障害：脳幹・頚髄腫瘍や外傷、脱髄疾患、視床出血、ワレンベルク症候群；第2ニューロンの障害：パンコースト腫瘍、胸部大動脈瘤、頚部動脈瘤、リンパ節腫脹－サルコイドーシス、結核、転移癌；第3ニューロンの障害：内頚動脈系の動脈瘤・閉塞など）
尚、出生時から2歳児以下でホルネル症候群が生じている場合、障害された虹彩の色は健常側と異なり、青色を呈す。
ホルネル症候群の診断には、2％コカイン点眼で瞳孔が散大しない（正常では散大）ことから確診できる。また、1％ハイドロキシアンフェタミン点眼で第１・２ニューロンと第３ニューロン障害の鑑別が可能である（散大すれば第１・２ニューロン障害が疑われ、散大しなければ第３ニューロン障害を疑う）。