（一）實驗室檢查
1.血生化檢查
（1）血乳酸、丙酮酸最小運動量試驗：約80%的病人運動后10分鐘血乳酸和丙酮酸仍不能恢復正常，為陽性；線粒體腦肌病患者CSF乳酸含量也增高；
（2）線粒體呼吸鏈復合酶活性降低。
2.mtDNA分析
（1）CPEO和KSS為mtDNA片段缺失，可能發生在卵子或胚胎形成期；
（2）80%的MELAS病人為mtDNA、tRNA基因3243點突變；MERRF綜合征是tRNA基因位點8344點突變。
（二）其他輔助檢查
1.肌肉冰凍切片Gomori染色活檢 可見肌細胞內線粒體堆積，RRF和糖原脂肪增多。
2.CT或MRI檢查 線粒體腦肌病患者可見白質腦病、基底核鈣化、腦軟化、腦萎縮和腦室擴大等。
3.肌電圖 可表現為肌源性損害或神經源性損害。