線粒體肌病的診斷依賴于典型的臨床癥狀:四肢近端極度不能耐受疲勞,身體矮小和神經性耳聾等,伴各亞型臨床特征;血清乳酸,丙酮酸增高和肌肉活組織檢查發現RRF,mtDNA缺失或點突變等之結果,線粒體腦肌病患者CT或MRI檢查可見白質腦病,基底核鈣化,腦軟化,腦萎縮和腦室擴大等。