Det första steget efter att läkaren frågat ut patienten om symtom och insjuknande brukar vara en undersökning av hur nervsystemet fungerar. Den innebär att läkaren kontrollerar känsel, rörelseförmåga och reflexer (t ex med ett lätt slag mot ett knä). Den neurologiska undersökningen ger en uppfattning om vilken del av hjärnan som har drabbats. Även ögonen undersöks.

Moderna metoder att ta bilder av kroppens inre har stor betydelse för att ställa diagnos på hjärntumörer. Det är främst datortomografi och magnetkamera som används.

Tidigare var kärlröntgen i hjärnan en vanlig undersökningsmetod. Tack vare de nya metoderna att ta bilder av hjärnan används kärlröntgen inte lika ofta numera. Men ibland behövs denna metod för att skilja olika tumörformer åt. Före en operation brukar patienten ibland kärlröntgas, eftersom neurokirurgen behöver veta hur blodkärlen ligger för att inte skada dem vid operationen. Men även om dessa metoder att ta bilder av hjärnan är viktiga, krävs ett vävnadsprov på den misstänkta tumören för att få en helt säker diagnos. Ibland tas provet i samband med att tumören opereras bort.

Om diagnosen är osäker gör läkaren en särskild operation för att ta ut ett vävnadsprov. Då borras ett litet hål i skallbenet. Genom hålet sticker läkaren in en tunn nål med vars hjälp han tar ut en liten bit av den misstänkta tumören som skickas till undersökning. Ofta används s k stereotaktisk operation för att ta ut provet.

I en del fall tas också prov på hjärn- och ryggmärgsvätskan. Om tumören växer intill hjärnans hålrum kan vätskan innehålla lossnade tumörceller. När cancer i en annan del av kroppen har satt metastaser i hjärnan kan också cancerceller finnas i hjärn- och ryggmärgsvätskan.

I de fall då epilepsi hör till symtomen får patienten genomgå en EEG-undersökning som visar hjärnans elektriska aktivitet. Vid hjärntumörer är aktiviteten i det drabbade området förändrad.