線粒體肌病的診斷依賴于典型的臨床癥狀:四肢近端極度不能耐受疲勞、身體矮小和神經性耳聾等,伴各亞型臨床特征;血清乳酸、丙酮酸增高和肌肉活組織檢查發現RRF,mtDNA缺失或點突變等之結果。線粒體腦肌病患者CT或MRI檢查可見白質腦病、基底核鈣化、腦軟化、腦萎縮和腦室擴大等。
但應注意炎癥肌病和其他肌病可同時伴存線粒體和糖原堆積之可能。嚴防過多過濫診斷線粒體肌病。