当常规外周血涂片和全血细胞计数显示小细胞性贫血和红细胞计数升高时，常可检测到地中海贫血的特征性改变。如有需要，β地中海贫血的诊断可以通过血红蛋白定量分析加以明确。无需干预； 在女性中，贫血会因怀孕而加重。
有家族史、出现提示性的症状和特征或出现小细胞性溶血性贫血的患者，应考虑较严重的地中海贫血的可能。若怀疑地中海贫血，应进行与小细胞性贫血及溶血性贫血相关的实验室检查，以及血红蛋白定量分析。血清胆红素，血清铁及血清铁蛋白将有所增加。
在α-地中海贫血中，Hb F和Hb A2的百分比一般是正常的，单个或两个基因缺陷的地中海贫血的诊断可能需要应用新的基因检测方法。诊断通常是排除了其他原因引起的小细胞性贫血。
在重型β-地中海贫血中，贫血较严重，血红蛋白常≤6g/dL (≤ 60 g/L)。因红细胞呈小细胞性，故红细胞计数相对于血红蛋白是有所增加的。血涂片具有实际的诊断价值，可见大量有核幼红细胞、靶形红细胞、小淡染红细胞及嗜碱性点彩红细胞。
在血红蛋白定量分析中，Hb A2升高是轻型β-地中海贫血的诊断依据。在重型β-地中海贫血中，Hb F常有升高，有时可升至90%，而Hb A2常升高至> 3%。
当血红蛋白电泳上出现快速移动的Hb H或Bart碎片时地中海贫血，可诊断为Hb H病。特异的分子缺陷可以是特征性的，但其无法改变疾病的临床进程。
重组DNA基因图谱技术（特别是聚合酶链反应[PCR]）在产前诊断和遗传咨询上已成为标准方法之一。
若因贫血进行骨髓检查（如地中海贫血，除外其他原因），可见红系增生明显活跃。重型β-地中海贫血的患者有时因其他原因行X线检查，可发现慢性骨髓过度增生性改变。颅骨的皮质层变薄，颅骨板障增宽，板障小梁有阳光放射状线纹，以及颗粒状或磨玻璃样改变。长骨皮质层变薄，骨髓腔变宽，以及多部位的骨质疏松。椎体可能有颗粒状或磨砂玻璃样改变。指骨可能出现矩形或双凸形。
