Klinisch fallen bei der Diagnosestellung üblicherweise eine erhöhte Anzahl an weißen Blutkörperchen (Leukozyten) auf, insbesondere von Granulozyten und ihren Vorstufen. Auch können Blutarmut (Anämie), eine Vermehrung der Thrombozyten sowie eine Milzvergrößerung vorliegen.

Die Diagnosestellung erfolgt durch die Knochenmarkpunktion mit Stanze, um eventuell das Vorliegen einer Myelofibrose zu diagnostizieren. Auch ist die Abgrenzung von anderen myeloprolifarativen Erkrankungen (Polycythämia vera, Essentielle Thrombozythämi, Primäre Osteomyerlosklerose) wichtig, die früher als Philadelphia-negative chronische myeloische Leukämie (CML) bezeichnet wurden. Heute kann man diese Entitäten morphologisch und molekulargenetisch weiter gut differenzieren.

Die Zytogenetik und Molekulargenetik mit der typischen Translokation (9/22) und dem BCR-ABL-Fusionsgen ist kennzeichnend für die Chronische Myeloische Leukämie (CML). In der akzelerierten Phase können auch weitere zytogenetische Aberrationen auftreten, die früher für die Indikationsstellung zur Knochenmark -oder Stammzelltransplantation entscheidend waren. Heute tritt deren Bedeutung ebenso in den Hintergrund wie die früher gebräuchlichen Scores (z. B. Sokal), die zur Prognoseabschätzung wichtig waren.

Heutzutage ist ganz entscheidend das Ansprechen auf die Therapie, das molekulargenetisch mit PCR (Polymerase-Chain-Reaktion)  gemessen wird. Mit diesem Verfahren gelingt auch der Nachweis kleinster Mengen des BCR-ABL-Gens. Der gemessene Wert drückt aus, wie viel Prozent der Blutzellen das Fusionsgen BCR-ABL tragen, also Leukämiezellen sind. Anfangs waren dazu regelmäßige Knochenmarkpunktionen notwendig, heute reichen in der Regel drei monatliche Blutkontrollen.

Die Differenzialdiagnose der Chronische Myeloische Leukämie (CML) umfasst neben anderen myeloproliferativen Erkrankungen auch rheumatoide Erkrankungen und Kollagenosen.

Bei den Untersuchungsmethoden sind neben Anamnese, klinischer Untersuchung, Blutbild, Knochenmark (mit Stanze, Zytogenetik und Molekulargenetik) sowie Sonografie (Milz), und ggf. HLA-Typisierung (im Hinblick auf die Histokompatibilitätsantigene = HLA) bei Stammzelltransplantation sowie Fertilitätstest und ggf. protektive Maßnahmen zu nennen.