Als een arts op grond van de lichamelijke symptomen vermoedt dat de patiënt homocystinurie heeft, kan hij verschillende laboratoriumtesten laten doen om de diagnose te bevestigen. Meestal is een aminozurenanalyse van de urine al richtinggevend: er wordt in de urine een zeer hoge concentratie van homocystine en methionine teruggevonden, naast een laag cystathionine en cystine. Bij bloedonderzoek komt hetzelfde beeld naar boven. Soms gebeurt dit bloedonderzoek na een zogenaamde 'methionine-belastingstest'. Daarbij krijgt de patiënt een bepaalde hoeveelheid methionine, waarna na een dag wordt gekeken naar de afbraakproducten in het bloed. 
Voor een definitieve diagnose is enzymonderzoek nodig. Daarvoor wordt meestal een stukje huid afgenomen. In opgekweekte huidcellen kan onderzocht worden of bij de patiënten inderdaad een gebrek is aan het enzym cystathinonine-bèta-synthetase. 
Met verbeterde markers wil men de screening naar homocystinurie weer hervatten.

Prenatale diagnostiek
Wanneer er al eerder in het gezin een kindje geboren is met homocystinurie, is het mogelijk om bij een volgende zwangerschap via prenatale diagnostiek te onderzoeken of het ongeboren kindje de ziekte ook heeft. Dit kan met een vruchtwaterpunctie. Wanneer het precieze genetische defect bekend is, kan het ook met een vlokkentest.