不论胸腔积液的类型和病因如何，患者最常见的症状是呼吸困难和胸痛。然而，多数胸腔积液可完全无症状。

胸部X线检查可显示积液，通常为诊断过程中的首选检查。CT可更清晰地显示肺脏、积液以及肺炎、肺脓肿或肿瘤的征象。超声扫描有助于小量胸腔积液的定位，以便穿刺抽取。

用穿刺针抽取胸液标本进行检查的操作，称为胸腔穿刺术。液体的外观有助于确定病因，某些实验室检查可测定积液的化学成分和检查胸液内细菌和真菌。亦可进行胸液细胞计数和分类以及癌细胞检查。

如果上述检查不能确定胸腔积液的病因，则需进行胸膜活检。用一活检针，取出壁层胸膜标本进行检查。如果标本太小不能作出确诊，则应通过胸部小切口采集组织标本，称为开放性胸膜活检。有时需经胸腔镜检查采集标本。

有时支气管镜检查对确定胸腔积液的病因有一定帮助。但尽管采用多种检查，仍有20%患者的病因无法明确。