אבחון מחלת מיטוכונדריה בדרך כלל מתחיל עם היסטוריה רפואית מלאה ובדיקה גופנית. בדיקות נוספות יכולות לכלול בדיקות דם, בדיקות שתן, בדיקות הדמיה של השרירים, בדיקות MRI, CT, PET, ואף בדיקות גנטיות. במקרים מסוימים, ייתכן שיהיה צורך בביצוע ביופסיה שרירים כדי להביא לאבחון מוחלט.