当胸膜腔内的液体较少时，医生触诊患者肺部可感知胸膜摩擦感，它是一种类似于粗糙物体相互摩擦的感觉。当积液量多时，患者的整个胸廓饱满，触诊患者肺部，嘱患者发出“yi”的声音，可以感觉由发声所导致的胸部震动减弱。
叩诊肺部可听到较正常肺部低沉一点的浊音，听诊肺部可以发现患者呼吸音减低或消失。
可判断胸腔积液的严重程度。
当胸膜腔内积液量较少时，可见患侧肺部肋骨和膈肌构成的锐角变顿或者消失，患者侧卧时更为明显。当胸膜腔含有中等量积液时，患侧肺部可见一片外高内低的弧形白色浑浊的阴影；当胸膜腔含有大量积液时，患侧的整个肺部为致密白色影，整个肺脏完全受压。
CT检查可以进一步观察X线摄片观察不到的部位，最大的优点是有助于发现引起胸腔积液的原因 。如：发现肺部有占位病变，提示肺癌可能。
B超检查是判断患者有无胸腔积液和定位胸腔积液位置的主要方法，可以引导医生进行准确穿刺，适合进行反复检查。B超检查时胸腔积液为无回声或低回声的黑色阴影，医学上称为“液性暗区”。
正电子发射计算机断层扫描（PET-CT）检查，当怀疑恶性肿瘤是导致患者胸腔积液的原因时，经过常规的CT检查不能发现原发病灶时，可进行PET-CT检查，可发现身体内代谢较高的肿瘤原发灶和转移灶，有助于良恶性胸膜疾病的鉴别。
PET-CT具有灵敏性高、特异度高等特点，但由于费用较高的原因，并不是常规的检查手段。
经B超定位进行胸腔积液的穿刺，抽取一定量的积液，一方面可以缓解症状，另一方面，对抽取的积液进行如下检查，进一步明确病因。
不同性质和不同病因导致的胸腔积液外观不同。
心功能不全等导致血液回流障碍的疾病，其产生的胸腔积液为漏出液，一般蛋白定量＜30g/L，以白蛋白为主；而炎症反应相关的积液多是渗出液，一般蛋白定量＞30g/L。
化脓性、结核性、恶性肿瘤等导致的胸腔积液，因为其本身为消耗性疾病，所以葡萄糖含量常常＜3.35mmol/L。
脓胸、食管破裂、结核性以及恶性胸腔积液等可出现PH值的降低。
腺苷脱氢酶（ADA），淋巴细胞内ADA含量较高。结核性胸膜炎时，由于免疫反应导致淋巴细胞明显增多，故常有ADA增高，多数患者大于45U/L。
乳酸脱氢酶（LDH），LDH升高常见于炎症反应以及恶性肿瘤。化脓性胸腔积液的LDH可＞1000U/L；恶性胸腔积液的LDH活性约为自身血清LDH的3.5倍。
胰腺损伤常导致淀粉酶升高，所以由于急性胰腺炎、胰腺损伤等导致的胸腔积液，其淀粉酶含量升高。
癌胚抗原CEA与肿瘤相关，恶性胸腔积液早期即可出现CEA升高；如果在CEA升高的同时，还有胸腔积液与血清CEA比值大于1，则可以帮助诊断恶性胸腔积液。
对于已经进行了常规影像学检查，穿刺抽取胸腔积液进行实验室检查等方法不能诊断的胸腔积液，可以采取经皮穿刺胸膜活检术，通过穿刺针取小部分胸膜组织，明确是否为肿瘤、结核等病变。阳性率为40%~75%，CT引导下胸膜活检可提高阳性率。
主要用于原因未明的胸腔积液的诊断，和持续性胸腔积液的治疗。通过胸腔镜，可以直观的发现病灶并在镜下取活检组织，做病理学检查，并进行相关治疗。如：胸膜腔内注射粘连剂治疗恶性胸腔积液。
