1.血生化檢查
血生化檢查可發現乳酸和丙酮酸水平升高，部分患者出現血肌酸激酶升高。
2. 影像學檢查
顱腦CT可發現基底節對稱性鈣化，腦萎縮。顱腦磁共振成像（MRI）可見累及大腦頂葉、顳葉和枕葉皮質游走性的長T1、長T2信號，也可累及額葉，呈現多灶分布。急性期彌散加權成像（DWI）為高信號，病變區腦回腫脹，不按血管分布。
3.組織病理學檢查
肌肉活檢光鏡下改良Gomori染色可見破碎紅纖維，電鏡下見線粒體增生、形態異常，線粒體內可見類結晶包涵體。
腦組織病理檢查可見大腦皮質呈多灶狀假分層狀壞死或海綿樣改變，伴神經細胞丟失、膠質細胞增生和毛細血管增生。骨骼肌的肌纖維出現線粒體增生。
4.基因檢測
基因檢測可發現有線粒體DNA突變，3243A>G為最常見的突變。個別患者為核基因突變，如POLG基因。發現基因突變更支持診斷。