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肾脏穿刺活组织病理检查是糖尿病肾病诊断的金标准。Klessens等对168位白人2型糖尿病患者进行尸检发现，有106人（63%）可确诊为糖尿病肾病，远远高于临床普遍认为的30%～40%的患病率，提示糖尿病肾病的漏诊率极高。糖尿病合并肾损伤的情况也较为复杂：患者既可以是糖尿病肾病，也可能是糖尿病肾病合并非糖尿病肾病，甚至根本就是糖尿病合并非糖尿病肾病，所以若不经肾活检这三种情况难以鉴别。
实际上，糖尿病肾病早期，肾脏仅有细微的病理变化，可表现为不同程度的肾小球基底膜增厚。1型糖尿病患者起病1.5～2.5年即可观察到肾小球基底膜增厚，晚期可达正常厚度（280～370nm）的10倍。糖尿病肾病早期光镜可见肾小管肥大、肾小球肥大多伴有足细胞的改变，在糖尿病患者中可以观察到足细胞的突触间距变宽，足细胞与肾小球基底膜脱离以及数量减少等改变。随着糖尿病肾病的进展，肾小球系膜区的基质增生逐渐加重，导致肾小球硬化。硬化肾小球会导致其下游支配的肾小管间质缺血、扩张、萎缩和肾间质纤维化。
在病理上，糖尿病肾病导致的大血管、叶间动脉、出入球小动脉和间质小动脉的损伤随着糖尿病肾病的发展也逐渐加重，但这些特征与高血压、动脉粥样硬化以及老年性退行性变导致的肾脏血管损伤并无特异性差别。肾脏组织内血管损伤对患者的预后判断极其重要，节段性硬化和毛细血管外增生预测糖尿病终末期肾病的发生。2006年国际肾脏病理学会研究委员会（Research Committee of the Renal Pathology Society, RPS）对糖尿病肾病肾脏活组织检查的病理报告有关肾小球、血管和肾间质的描述有详尽的分级和定义（参阅本书第八章）。
目前在超声引导下肾穿刺活检术的安全性已经得到较大提高，特别是介入肾脏病学的进展，使高危肾脏病穿刺活检患者出现大出血的处理得到有效的安全保障。