线粒体脑肌病的诊断，主要结合患者的典型的临床表现、家族史和相关的实验室的检查、以及基因的检测进行诊断。比如线粒体脑疾病的患者会出现运动后乏力，但是休息后好转；另外肌肉活检当中可以看见破碎的红纤维；如果侵犯骨骼肌就被称为线粒体肌病；如果累及到中枢神经系统，就称为线粒体脑肌病。患者通常需要结合血清的乳酸以及丙酮酸最小运动量试验阳性，另外还需要进行基因的检测。