Quando se suspeita de leucemia aguda, a hospitalização é efectuada e o diagnóstico é feito novamente. É realizada uma análise ao sangue periférico, que pode mostrar um aumento ou diminuição dos glóbulos brancos, e pode mostrar anemia, trombocitopenia, e uma diminuição dos glóbulos inteiros; a triagem do sangue periférico pode por vezes detectar células naïves; e as células naïves primitivas superiores a 20% podem ser detectadas por esfregaço de aspiração de medula óssea. A imunofenotipagem também é observada, e as células primitivas naïves superiores a 20% podem normalmente ser detectadas pela citologia do fluxo da medula óssea. O exame cromossómico bem como o exame genético podem determinar o prognóstico e estratificar o tratamento. Para a leucemia aguda, o diagnóstico baseia-se principalmente nos sintomas clínicos do doente, tais como anemia, sangramento, infecção, ou dor óssea, combinados com testes laboratoriais, incluindo sangue periférico, medula óssea, cromossoma, imunofenotipagem, e testes genéticos.