目前認為三聚氰胺中毒的機制是腎衰。雖然在腎臟和膀胱中都發現了結晶，但現在仍不清楚在三聚氰胺攝入之後腎衰竭的發生和腎臟的結晶作用之間是否有直接的聯絡。Cornell大學的Smith拍攝了結晶的電子顯微鏡照片，並在實驗室進行三聚氰胺和三聚氰酸的混合實驗，重現這種結晶的形成。 毒性選擇性方面，大鼠經口LD50為3.16g/kg，而小鼠為4.55g/kg，其他動物尚無研究資料。從2007年寵物食品中毒事件分析，貓和狗的中毒報告數之比約為5∶2。貓在飼餵含三聚氰胺和三聚氰酸各1%的飼料48h後可發生急性腎衰。據此分析，三聚氰胺對不同動物的選擇性不同，尤其對貓有較強的毒性，其機制有待探討。中毒機理方面，OgasawaraH等（1995年）的研究報告認為，三聚氰胺誘發膀胱癌和泌尿道增生性疾病歸因於結石的形成，而結石的成分主要為1∶1的三聚氰胺和尿酸。已證實三聚氰胺和三聚氰酸聯合飼餵貓時發生急性腎衰，並發現晶體的存在。但是，腎衰的發生與晶體形成之間是否有必然聯絡，中毒後形成結石和晶體的機制以及三聚氰胺及其同系物相互之間的毒性影響等問題尚待進一步研究。關於三聚氰胺及其同系物（MCs）的進一步研究方向，還有以下幾種認識，有學者認為應該重視可能存在的其他來源的三聚氰胺汙染，比如塑膠產品中的三聚氰胺；雖然還沒有關於三聚氰胺體內蓄積作用的報道，但是不排除長期接觸可能引起的慢性毒性；當加熱或其他方法處理三聚氰胺時，是否形成更多毒物或發生毒性變化；尋找生物標誌物，預測中毒引起的腎衰；比較在脫水、使用藥物（如利尿劑）以及其他能改變腎臟排洩的條件下，三聚氰胺的代謝動力學；在檢測方法學上，尋找更敏感的測定方法檢測組織中低濃度的三聚氰胺；研究不同物種尿中的三聚氰胺複合物濃度和結晶作用的關係，包括由於MCs之間的氫鍵作用促進結晶，使共結晶（比如三聚氰胺和三聚氰酸之間）在低濃度下發生的可能性以及機體攝入的水和鹽對尿中MCs濃度的影響等。