Zur Diagnosestellung ist eine Knochenmarkpunktion (Aspiration + Stanze) erforderlich. Dabei müssen neben der morphologischen Beurteilung die Immunphänotypisierung, die zytogenetischen und molekulargenetischen Untersuchungen - gegebenenfalls in darauf spezialisierten Laboratorien – durchgeführt werden. Als Methode wird dabei häufig die Floureszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) angewendet.

Als Basisdiagnostik ist neben dem Routinelabor (Leber, Niere, Gerinnung, Urin) die spezielle Diagnostik von Hepatitis, HIV sowie HLA-Typisierung (im Hinblick auf die Histokompatibilitätsantigene = HLA) bei der Spendersuche für eine Transplantation und Schwangerschaftstest bei Frauen im gebärfähigen Alter sowie gegebenenfalls Fertilitätsprotektion zu planen. Außerdem empfiehlt sich die Durchführung von Röntgen, EKG, Herzechogramm und Lungenfunktion. Spezielle infektiologische Untersuchungen können bei einer Infektion mit Bakterien, Viren und Pilzen erforderlich sein.

Zur präzisen Diagnostik und Prognoseabschätzung ist die zytogenetische Untersuchung hilfreich. Dabei werden bestimmte genetische Veränderungen gefunden (z. B. Translokation 8/21, Inversion 16, Translokation 15/17 oder 9/11 oder 6/11, Inversion 3 und weitere seltene Karyotyp-Veränderungen), bis hin zu einem komplexen Karyotyp (alle Chromosomen-Eigenschaften).

Von den molekulargenetischen Befunden seien NPM1, CEBPA, RUNX 1 sowie PML-RARA genannt, wobei letzterer auf eine Promyelozyten-Leukämie (M 3) hinweist. Auch wenn in vielen Fällen die zahlreichen Befunde in ihrer prognostischen Wertigkeit noch nicht klar definiert sind, so können doch günstige Befunde (Translokation 8/21, Inversion 16 und FLT 3) von intermediären (Translokation 9/11 ) und ungünstigen (Translokation 6/9, Inversion 11, Verlust von Chromosom 5 oder 7) sowie ein komplexer Karyotyp unterschieden werden.

Diagnostisch abgegrenzt werden muss das Myelodysplastische Syndrom (MDS), bei dem sich durch einige charakteristische Befunde (z. B. 5q – Syndrom) Subtypen unterscheiden lassen. Diese Erkrankung galt früher als Präleukamie, ist jetzt jedoch eine eigenständige Krankheit mit sehr differenzierten Ausprägungen und Therapien.