Krve a moči studie jsou často prvním krokem v diagnostice mitochondriálních onemocnění. Tyto studie obvykle zahrnují měření laktátu a pyruvátu v plazmě, mozkomíšním moku (CSF) a moči, jakož i měření specifických aminokyselin a organických kyselin. Mohou být přidány další testy, včetně neuroimagingu, elektromyografie (EMG) k měření svalové aktivity a studií nervového vedení (NCS). Některé z příznaků „červené vlajky“ v mozku, jako jsou léze podobné mrtvici, jsou klasickými nálezy u mitochondriálních onemocnění, ale nelze je použít pouze k potvrzení nemoci.
Primární mitochondriální onemocnění (PMD) jsou výsledkem mutací v jaderné DNA (nDNA) nebo mitochondriální DNA (mtDNA). Genetické studie těchto dvou zdrojů DNA nahradily svalové biopsie jako zlatý standard pro diagnostiku. Bohužel, genetické testování je drahé a vyžaduje hodně důkazů, že příčinou příznaků je mitochondriální, než pojištění pokryje tuto úroveň testování. Některé plány zdravotního pojištění v současné době nepokrývají genetické testování PMD a pacienti se musí spoléhat na jiné metody diagnostiky. Pokud je silně podezření na mitochondriální onemocnění, ale genetické studie neodhalí známou mutaci způsobující mitochondriální onemocnění, pacienti mohou stále dostávat klinickou diagnózu mitochondriálního onemocnění.
Lékaři jsou pomocí svalů a tkáně biopsie, méně často pro mitochondriální diagnózu, protože tyto testy nemusí být tak komplexní, jak je genetické testování a nemusí být dobře snášen mitochondriální onemocnění pacientů. PMD a mitochondriální dysfunkce (sekundární) nelze diferencovat pouze s laboratorním testováním tkáně. Funkční testy-hodnocení fungování mitochondrií v buňkách-zůstávají důležitými měřítky mitochondriální funkce. U pacientů s onemocněním svalové tkáně mohou být některá další neuromuskulární onemocnění vyloučena svalovou biopsií.