転移性脳腫瘍の診断は、MRIやCTで頭の断層撮影を細かく行うことで診断します。診断のポイントは、症状を出している病変以外の脳内に病変がないか、脳の表面など広い範囲で病変が散らばっていないかなどです。原因となるがんの場所と、体の他の部分へ転移していないかを調べることも重要で、そのために全身のPETや、CTおよびMRI、超音波検査、核医学検査、内視鏡検査、採血によるがんの活性度検査、尿や便の検査などが行われます。また必要に応じて、がんの種類を特定するために、尿・痰・骨髄・髄液の細胞検査や、がんと思われる場所から直接細胞を取る生検術と呼ばれる手術が追加されます。