血液および尿検査は、しばしばミトコンドリア病の診断の最初のステップである。 これらの研究には、典型的には、血漿、脳脊髄液（CSF）、および尿中の乳酸およびピルビン酸の測定、ならびに特定のアミノおよび有機酸の測定が含まれる。 神経画像、筋活動を測定するための筋電図（EMG）、および神経伝導研究（NCS）を含む追加の試験を追加することができる。 脳卒中様病変のような脳内の「赤旗」症状のいくつかは、ミトコンドリア病の古典的な所見であるが、疾患の確認のみに使用することはできない。
原発性ミトコンドリア病（PMD）は、核DNA（nDNA）またはミトコンドリアDNA（mtDNA）の変異に起因する。 これらの2つのDNA源の遺伝学的研究は、診断のための金本位として筋肉生検に取って代わりました。 残念なことに、遺伝子検査は高価であり、保険がこのレベルの検査をカバーする前に、症状の原因がミトコンドリアであるというかなりの証拠が必要 いくつかの健康保険プランは現在、PMDの遺伝子検査をカバーしていない、と患者は診断の他の方法に依存しなければなりません。 ミトコンドリア病が強く疑われているが、遺伝学的研究で既知のミトコンドリア病の原因となる突然変異が明らかにされていない場合、患者はまだ
臨床医は、これらの検査が遺伝子検査ほど包括的ではなく、ミトコンドリア病患者によって十分に許容されない可能性があるため、筋肉および組織生検をミトコンドリア診断のためにあまり頻繁に使用していない。 PMDおよびミトコンドリア機能障害（二次）は、実験室組織検査のみで区別することはできません。 機能テスト–ミトコンドリアが細胞内でどのように機能しているかの評価–は、ミトコンドリア機能の重要な尺度であり続けています。 筋肉組織の疾患を有する患者では、特定の他の神経筋疾患を筋肉生検によって排除することができる。