本病的诊断主要依赖于临床的症状、体征、辅助检查等。

患者的主要的临床特点是首发症状会出现全身无力，有的患者会出现喂养困难、肌张力降低、轻度的偏瘫、共济失调等。

辅助检查包括肌电图，尤其是临床上伴有肌无力、肌萎缩的患者，肌电图检查就非常重要。脑电图检查主要是针对伴有癫痫发作的线粒体脑病的患者。血清乳酸检查是重要的筛查指标。头部的CT和头部的核磁共振对线粒体脑病具有重要的辅助的作用。其他的还包括基因检测、肝功、肾功、血糖、血常规等。