人體對EBV感染的免疫反應包括產生病毒特異性和非特異性的抗體。EBV的急性感染可出現B細胞多克隆的激活和血清免疫球蛋白水平的提高。在青少年和成人中，約有90%的傳染性單核細胞增多癥患者產生嗜異性抗體。這些絕大多數都是IgM抗體，可以凝集羊或馬的紅細胞。因為存在于正常人血清中的羅斯曼（Forssman）抗體可凝集非人類紅細胞，所以可能出現假陽性。這些非特異性Forssman抗體能通過豚鼠腎細胞吸收后得以消除。在臨床表現與傳染性單核細胞增多癥相符的患者中，1∶40或更高的滴度被認為可以診斷急性EBV感染，滴度的高低與疾病的嚴重性并無相關。嗜異性試驗的假陰性情況在5歲以下的兒童中更為常見。
檢測對EBV直接起反應的特異性抗體比嗜異性試驗更有診斷意義。VCA的抗體在感染后首先出現，其中IgM抗體早期升高并持續4～8周，約10%的傳染性單核細胞增多癥患者沒有VCA的IgM抗體。VCA的IgG抗體在IgM抗體出現之后不久出現，在數周內達到高峰，并且終生存在。患者表現為傳染性單核細胞增多癥時，IGG抗體接近其高峰水平，因此滴度升高現象可能被忽略。在傳染性單核細胞增多癥起病后幾周到幾個月中，不足70%的患者對EBV彌散成分EA產生抗體，抗EA-D抗體通常持續3～6個月，在鼻咽癌的患者中常有升高。對EBV限制性給分的抗體只在少數傳染性單核細胞增多癥患者中出現。抗EA-R抗體在癥狀出現后幾周到幾個月中可以測到，能持續幾個月到幾年。抗EA-R抗體在EBV相關的Burkitt淋巴瘤患者中常升高。嚴重慢性活動性EBV感染或移植后淋巴增殖性疾病的患者，VCA IgG、EA-D、EA-R抗體的滴度常明顯升高。EBV核抗原（EB-NA）的抗體在傳染性單核細胞增多癥癥狀出現后起3～4周后可測到，并持續終生，抗EBNA陽性提示最近感染EBV。慢性活動性EBV感染者、T淋巴細胞功能異常者和X連鎖的淋巴組織增殖性疾病患者常不能產生抗EBNA抗體或滴度很低，這可能反映了對EBV感染的無效細胞免疫。
目前已經從腦脊液中培養到EBV，并用PCR的方法檢測到EBV DNA，但尚處于實驗研究階段。診斷EBV相關的神經系統綜合征需要依靠臨床表現和EBV感染的血清學檢查。腦脊液檢查顯示淋巴細胞增多及蛋白升高，在EBV腦炎尤其明顯，若存在不典型淋巴細胞更有診斷價值。吉蘭-巴雷（Guillain-Barré）綜合征患者典型的腦脊液變化為蛋白升高，但沒有淋巴細胞的增多。CT可以顯示病毒性腦炎或急性播散性腦脊髓炎的典型低衰減變化，非增強的腦部病變可能提示進行性疾病中的占位或水腫性病變。MRI更加敏感，即使CT正常時，MRI仍可能顯示病變，尤其在T2加權像中。EEG顯示腦炎患者一般為慢波偶爾有突然電活動。