badania krwi i moczu są często pierwszym krokiem w diagnozowaniu choroby mitochondrialnej. Badania te zazwyczaj obejmują pomiary mleczanu i pirogronianu w osoczu, płynie mózgowo-rdzeniowym (CSF) i moczu, a także pomiar specyficznych aminokwasów i kwasów organicznych. Dodatkowe testy mogą być dodane, w tym neuroobrazowania, elektromiografii (EMG) do pomiaru aktywności mięśni, i badania przewodnictwa nerwowego (NCS). Niektóre objawy „czerwonej flagi” w mózgu, takie jak zmiany podobne do udaru mózgu, są klasycznymi odkryciami w chorobie mitochondrialnej, ale nie mogą być wykorzystywane wyłącznie do potwierdzenia choroby.
pierwotne choroby mitochondrialne (PMD) wynikają z mutacji w jądrowym DNA (nDNA) lub mitochondrialnym DNA (mtDNA). Badania genetyczne tych dwóch źródeł DNA zastąpiły biopsje mięśni jako złoty standard diagnostyki. Niestety, badania genetyczne są kosztowne i wymagają sporej ilości dowodów na to, że przyczyną objawów jest mitochondrialne, zanim ubezpieczenie pokryje ten poziom badań. Niektóre plany ubezpieczenia zdrowotnego nie obejmują obecnie badań genetycznych w kierunku PMD, a pacjenci muszą polegać na innych metodach diagnozowania. Gdy choroba mitochondrialna jest silnie podejrzewana, ale badania genetyczne nie ujawniają znanej mutacji powodującej chorobę mitochondrialną, pacjenci mogą nadal otrzymać kliniczną diagnozę choroby mitochondrialnej.
lekarze rzadziej stosują biopsje mięśni i tkanek w diagnostyce mitochondrialnej, ponieważ badania te mogą nie być tak wszechstronne jak badania genetyczne i mogą nie być dobrze tolerowane przez pacjentów z chorobą mitochondrialną. PMD i dysfunkcji mitochondriów (wtórne) nie można odróżnić od laboratoryjnych badań tkankowych. Testy czynnościowe – oceny funkcjonowania mitochondriów w komórkach – pozostają ważnymi miarami funkcjonowania mitochondriów. U pacjentów z chorobą tkanki mięśniowej niektóre inne choroby nerwowo-mięśniowe można wykluczyć za pomocą biopsji mięśniowej.