La diagnosi si basa solitamente su ripetuti esami emocromocitometrici completi (esame del sangue) (numero dei globuli rossi, globuli bianchi e piastrine, livello di Hb) e determinazione dei parametri ematochimici (azotemia, glicemia, uricemia, transaminasi), sull'analisi citogenetica (studio dei cromosomi dei blasti presenti nel midollo osseo, sul prelievo di midollo osseo per analizzare frammenti di tessuto), sull'analisi immunofenotipica (tramite citometria a flusso delle cellule presenti in un campione di sangue o midollo osseo allo scopo di identificarle sulla base di specifici Ag di superficie). Importanti possono pure risultare i test di immunoistochimica per differenziare all'interno di una leucemia i vari subtipi secondo la classificazione di FAB. A dipendenza del risultato vi sono prognosi e approcci terapeutici differenti.