問診で神経膠腫が疑われる場合には、神経学的検査を行います。また、CT検査やMRI検査で腫瘍の位置、大きさ、血管との関係を確かめます。CT検査やMRI検査だけでは悪性度や分類などの判断が難しいときには、PET検査を行うこともあります。
１．神経学的検査
運動機能や感覚機能のほか、認知機能、言語機能などの高次脳機能に異常がないかを調べます。この検査は、医師だけでなく、言語聴覚士や心理士などが行うこともあります。
２．CT、MRI検査
CT検査はX線を、MRI検査は磁気を使った検査です。いずれも頭蓋骨の内部を描き出し、腫瘍があるかどうかを調べます。
CT検査はMRI検査に比べて迅速にできるため、神経症状（運動や感覚、思考や言語などのさまざまな機能が障害されて起こる症状）がある場合には、脳梗塞や脳出血などの緊急性の高い病気と識別するために、まずCT検査を行います。また、見つかった腫瘍が他の臓器で発生したがんの転移でないかを確認するために、必要に応じて胸部や腹部のCT検査を行うこともあります。
さらに、腫瘍と血管の関係を調べるために、造影剤を使ったCT血管撮影を行うこともあります。神経膠腫が疑われる場合、カテーテルを用いた脳血管撮影をすることもあります。
MRI検査では、脳の病気の種類を細かく調べることができますが、病変をより明瞭に描き出すため、必要に応じて造影剤を使います。造影剤を使うことで、腫瘍の広がりや悪性度なども手術前に推定することができます。特に神経膠腫ではグレード3・4の腫瘍の場合、悪性度が高いほど造影剤で腫瘍の輪郭がはっきりする傾向があります。
また、必要に応じてさまざまなMRI検査を行います。例えば、脳の血液中の変化をみるfMRI（functional MRI：磁気共鳴機能画像法）を用いて、脳の運動野（手足の動きの中枢）や言語野（言葉の中枢）の位置を調べることがあります。
造影剤にアレルギーがある人や喘息の人は、検査を受ける前に必ず医師に伝えてください。特にCT検査では、ヨードアレルギーがある場合に副作用の起こる危険性が高くなります。
３．病理検査
がんかどうか、どのような種類のがんなのかについて診断を確定するための検査です。
診察や神経学的検査、CT検査、MRI検査、PET検査などによって、神経膠腫なのか、他の病気や腫瘍の可能性はないのか、腫瘍の発生部位や広がりなどを推測できます。しかし、診断を確定するためには、手術により腫瘍組織を採取して（生検）、組織の遺伝子変異を調べ（遺伝子検査）、病理医がその細胞を顕微鏡で観察して診断する病理検査（病理診断）が不可欠です。
４．腫瘍マーカー検査
神経膠腫では、現在のところ、診断や治療効果の判定に使用できるような特定の腫瘍マーカーはありません。