醫生根據臨床上診斷和治療的需要選擇不同的標本和檢查方法進行實驗室診斷，從而鑒定出感染的病原菌。實驗室診斷包括細菌學診斷，即檢測及鑒定病原菌；檢測病原菌成分（抗原和核酸）以及檢測患者血清中特異性抗體（圖1）。
圖1 細菌感染的實驗診斷方法
一、細菌學診斷
形態學檢查 光鏡下可觀察直接涂片或分離培養的細菌形態（包括染色標本和不染色標本），直接涂片染色只對特定樣品中的細菌有診斷價值。如在患者膿性腦脊液或淤血點中的白細胞內檢出革蘭染色陰性的雙球菌即可診斷為流行性腦膜炎；在生殖器官病變部位的標本中發現革蘭染色陰性的雙球菌，結合臨床癥狀即可初步診斷為淋病奈瑟菌感染。但很多細菌的形態和染色性缺乏明顯特征，僅憑形態學不能做確切的診斷，需經細菌的分離培養，甚至純培養后，對細菌進行生化和血清學鑒定，方能明確感染的細菌。
不染色標本主要用于檢查細菌的動力，如在鏡下觀察標本有無“魚群”樣排列、運動活潑的細菌，可對霍亂弧菌進行初步診斷。
1．細菌染色檢查法 主要包括革蘭染色、抗酸染色和熒光染色后光鏡檢查。
（1）革蘭染色法（Gram stain）：是在1884年由革蘭（Hans Christian Gram）發明的，它一直是對細菌進行分類鑒別的最常用染色方法。
（2）抗酸染色法（acid-fast stain）：是鑒定結核和麻風等分枝桿菌屬細菌的重要方法。細菌經涂片、干燥和固定后，先用5%石炭酸復紅初染，細菌被染成紅色，然后用3%鹽酸酒精脫色，由于分枝桿菌細胞壁富含脂類物質，一旦著色，鹽酸酒精難以將其脫色，故為抗酸染色陽性（紅色）。而一般的細菌容易脫色，再經美蘭復染呈現藍色。若在痰液中檢出抗酸染色陽性的桿狀細菌，則可診斷患者有結核分枝桿菌的感染。
用金胺對結核桿菌進行染色，在熒光顯微鏡下可觀察到呈金黃色熒光的菌體，此法可提高結核分枝桿菌的檢出率。
另外，有一些特殊的染色方法可將細菌的特殊結構，如細菌的鞭毛、莢膜和芽胞進行染色。