Често митохондриалните болести са предизвикателство за диагностициране, тъй като могат да бъдат причинени от патогенни варианти в ядрената ДНК (nDNA) или в митохондриалната ДНК (mtDNA). Няма специфични метаболитни маркери за идентифициране на конкретен генетичен дефект. Първоначалните лабораторни тестове за лактат, пируват, органични киселини в урината и плазмени аминокиселини могат да насочат към възможно митохондриално заболяване. За окончателна диагноза, обаче, е необходимо генетично изследване.
Методологиите за секвениране от следващо поколение се превръщат в нов златен стандарт за секвениране на митохондриалната ДНК, тъй като позволяват значително подобрена надеждност и чувствителност на анализите на митохондриалния геном за точкови мутации, нискостепенна хетероплазмия и делеции, като по този начин осигуряват по-прецизно диагностициране на нарушения.