由于铊中毒容易漏诊、误诊，需要结合患者病史如接触史，临床表现如胃肠道症状、神经症状以及脱发，以及辅助检查如尿液、血液、毒物检测、影像学检查等进行综合性诊断。
由中华人民共和国健康委员会发布的，职业性铊中毒诊断标准(GBZ 226-2010)，非职业性铊中毒也可根据此标准执行。
除具有头晕、头痛、乏力、食欲减退、腹痛症状及尿铊明显增高外，同时应具备至少一项其他表现，如四肢远端特别是下肢痛觉过敏、麻木、疼痛，或痛觉、触觉减退呈手套、袜套样分布，可伴跟腱反射减弱；明显脱发，指(趾)甲出现米氏纹；神经肌电图显示有神经源性损害。
轻度中毒基础上，同时应具备至少一项其他表现，如四肢远端痛觉、触觉障碍达肘、膝以上，伴跟腱反射消失；或深感觉明显障碍伴感觉性共济失调；四肢受累肌肉肌力减退至4级；脑神经损害；发生轻度心、肺、肝、肾、脑损害之一者。
在中度中毒基础上，同时应具备至少一项其他表现，如四肢受累肌肉肌力减退至3级，或四肢远端肌肉明显萎缩；发生中-重度心、肺、肝、肾、脑损害之一者。
长期接触后出现乏力或下肢无力，连续两次检测尿铊增高，应同时具备至少一项其他表现，如双下肢疼痛、麻木，出现对称性袜套样分布的痛觉、触觉或音又振动觉障碍，伴跟腱反射减弱；明显脱发；轻度视神经病或视网膜病；神经肌电图显示有神经源性损害。
在轻度中毒基础上，应同时具备至少一项其他表现，如四肢远端感觉障碍、跟腱反射小时，伴四肢肌力减退至3级或四肢远端肌肉萎缩；视神经萎缩。
本病会和吉兰-巴雷综合征、急性胃肠炎、周期性麻痹等疾病有相似之处，医生将从多个方面进行详细检查进行判断。
又称格林-巴利综合征(Guillain-Barre综合征)与铊中毒的神经系统表现高度相似，其特点为出现四肢瘫痪、腱反射消失，电生理检查显示有神经传导速度减慢。由于极易误诊，需要检测血铊和尿铊才可鉴别。
可有恶心、呕吐、腹痛以及腹泻症状，但无神经系统症状和体征，如肢体麻木、肌无力、感觉过敏等，通过体格检查以及影像学检查即可鉴别。
需要与低血钾所引起的周期性麻痹进行相鉴别，患者也会出现肌肉酸痛、肢体感觉过敏，体格检查会有跟腱反射减弱，可通过核磁共振、脑电图以及生化检查多方面排查诊断即可鉴别。
