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目前，有两种试验可以诊断结核潜伏感染：结核菌素试验（TST）和γ-干扰素释放试验（IGRA）。IGRA 试验也可用来区分BCG注射与结核分枝杆菌感染引发的阳性反应。
TST 试验（使用 MANTOUX 技术）是皮内注射 5 结核菌素单位（TU）的纯化蛋白质衍化物 PPD-S，或 2TU 的 PPD-RT23。若受试者对这些抗原有细胞介导的免疫应答，则会在 48～72 小时内出现迟发型超敏反应。对 TST 测试结果的解读要考虑到硬结大小和结核分枝杆菌感染的预测概率；若受试者已经明确感染结核分枝杆菌，还要考虑到其发展为活动性结核病的风险。
TST检测的优点是试剂和设备成本低、对实验室和操作人员技术水平要求低。缺点一是特异性会受以下因素影响而减低：卡介苗的晚期（6月龄以上婴儿）接种或反复接种（加强免疫接种），以及一定程度上与非结核分枝杆菌的接触；缺点二是该测试结果的预测值有限。绝大部分TST阳性的患者都没有发展为活动性结核病。
IGRA 是体外血液测试，检测细胞介导的免疫反应：测量在 RD1 编码抗原ESAT-6和CFP-10的刺激之下，T 细胞释放的 IFN-γ。相比PPD 抗原，RD1 抗原对结核分枝杆菌的特异度更高，因为其不在任何 BCG 疫苗菌株的基因组内，绝大部分非结核分枝杆菌中也不包含。然而，和 TST 一样，IGRA 预测值也较低。对于诊断结核潜伏感染而言，TST 和IGRA 都可接受、可操作，但都存在各自的优缺点。针对免疫功能低下的患者，其灵敏度明显减低；而且，两种检测方法都不能准确区分结核潜伏感染和活动性结核病，也无法鉴别患者是初次感染还是再感染。在某些地区，曾接受过预防性治疗的患者有再感染风险，而此时，区分初次感染和再感染十分重要。
值得注意的是，因为所有的结核潜伏感染诊断都存在预测值较低这个问题，对低风险人群的大范围预筛查会适得其反。因此，只有在确定出现阳性结果准备开展相关治疗的情况下，才应开展结核潜伏感染的筛查。
诊断活动性肺结核主要有以下几种技术：胸部影像学技术（胸部X线、CT）、支气管镜及其他内镜检查、痰涂片显微镜检查（痰涂片）、痰样本培养、分子生物学检测。其中，影像学技术主要用于筛查，而确诊必需有病原学的诊断结果。
胸部X线技术是已稳定应用的筛查技术，而且，近年来也出现了数字影像技术和电脑辅助诊断软件等相关技术。因为X线技术特异性低，异常胸部X线片需要和后续的显微镜检验技术相结合。先进的成像方式（如CT、PET-CT）能够看到肺部病变的不同形态，但此类技术费用昂贵，不适宜常规检查使用。支气管镜检查可直接观察气管、支气管及各叶、段支气管及其开口，通过支气管镜检查还可吸取分泌物开展刷检、活检，以及利用支气管、肺泡灌洗液进行病理学、细菌学、细胞学、免疫学以及生化学检查，对气管、支气管结核的诊断与治疗及与其他支气管肺部疾病的鉴别诊断均十分重要，对菌阴肺结核也有辅助诊断意义。此外，经胸壁超声、介入性超声（超声引导下的胸腔穿刺抽液、肺活体组织检查）在结核病的诊断方面已广泛应用。胸腔镜、纵隔镜检查和经内镜进行活检也已应用于临床结核病的诊断。
分子生物学诊断技术主要包括结核分枝杆菌病原学诊断、耐药性诊断和分枝杆菌菌种鉴定。目前各种分子生物学诊断技术均是以结核分枝杆菌管家基因或基因突变位点作为靶标序列进行疾病和药物敏感性诊断。结核分枝杆菌病原学分子诊断，多以结核分枝杆菌基因组中的管家基因作为靶标序列进行核酸扩增。目前临床上应用的核酸扩增技术主要包括实时荧光定量PCR技术和等（恒）温扩增技术，主要用于检测临床标本中是否存在结核分枝杆菌复合群。耐药分子诊断技术多以耐药相关基因为靶标，通过检测基因内部突变位点确定是否耐药，常用的耐药相关基因包括利福平耐药相关基因 ropB ，异烟肼耐药相关基因 katG 、 inhA ，乙胺丁醇耐药相关基因 embB ，吡嗪酰胺耐药相关基因 pncA ，喹诺酮类耐药相关基因 gyrA 、 gyrB ，二线注射类药物耐药相关基因 rrs 等，主要依赖实时荧光定量PCR技术、探针-反向杂交技术、高分辨率熔解曲线技术以及全基因组测序等。分枝杆菌菌种鉴定的金标准是依赖于同源基因测序后的序列比对，最重要的靶标基因是 16S rRNA ，除了基因测序技术以外，还包括探针-杂交技术、探针熔解曲线技术、免疫色谱分析、气相/液相色谱分析和质谱分析等。
虽然痰涂片镜检存在诸多局限，但仍然是中、低收入国家最广泛使用的活动性结核病检查手段。但是，新推出的Xpert MTB/RIF——基于自动 GeneXpert 技术的分子生物学检测手段正在极大地改变着结核病诊断的局面。自2010年引入使用以来，鉴于其高度的特异性和准确性，WHO推荐有条件地区将Xpert作为一线诊断筛查的重要手段，用以诊断成年人或儿童的疑似活动性结核病。
在HIV阳性人群中，痰涂片镜检只能查出22%～43%的活动性结核病。因此，WHO强烈建议以 Xpert MTB/RIF 为此类人群做初步筛查。现在，WHO推荐一种快速LAMP诊断，以辅助和加快对以下两个特定人群的活动性结核病诊断：①HIV 阳性住院患者，出现肺部或肺外结核病症状和指征，CD4 + T 细胞数量≤100/μl；②病情严重的 HIV 阳性患者，无论其 CD4 + T细胞数量多少、是否已知 CD4 + T 细胞数量。对于儿童结核病诊断，目前还没有金标准，因此，其诊断主要依赖于症状、体征、结核分枝杆菌感染相关证据（TST 或 IGRA 阳性）、接触史、胸部X线片（如出现肺门淋巴结肿大）、分枝杆菌培养和分子生物学检测（Xpert）结果。因为 Xpert比痰涂片镜检更准确，WHO推荐使用这一技术为疑似儿童（和成年人）活动性结核病、结核性淋巴结炎、结核性脑膜炎患者进行一线诊断。
诊断耐药性可使用以下方法：表型、培养（检测细菌在有抗结核药物环境中的生存能力）、分子（检测结核分枝杆菌的基因突变情况，寻找有可能导致耐药的基因突变）诊断。
传统表型检测方法是在含抗结核药物培养基中进行结核分枝杆菌培养，观察生长是否受到抑制。常用的表型耐药检测方法包括常规检测方法中的比例法和绝对浓度法、快速培养仪检测方法、显微镜直视下药物敏感性测定法、硝酸还原酶测定法、氧化还原指示剂测定法等。表型药敏试验（DST）可以在固体培养基上直接或间接进行。间接试验则是将痰培养出的菌落进行接种，再进行相应药物的DST，包括绝对浓度法、比例法和抗性比率法，为最常用的DST方法，是DST的金标准。快速液体培养与药敏检测法结果较为可靠，具有较高的准确性和可重复性，可替代传统表型检测法。
耐药分子诊断技术，多以耐药相关基因为靶标，通过检测基因内部突变位点确定是否耐药，常用的耐药相关基因包括利福平耐药相关基因 ropB ，异烟肼耐药相关基因 katG 、 inhA ，乙胺丁醇耐药相关基因 embB ，吡嗪酰胺耐药相关基因 pncA ，喹诺酮类耐药相关基因 gyrA 、 gyrB 等，主要依赖实时荧光定量PCR技术、探针-反向杂交技术、高分辨率熔解曲线技术以及全基因组测序等。
在很多使用 Xpert 诊断活动性结核病的地区，Xpert 也在很大程度上提高了对耐多药结核病的诊断。此外，WHO也认可使用环介导等温扩增（loop-mediated isothermal amplification）诊断肺结核，使用分子线性探针检测对一线药物（如异烟肼、利福平）和部分二线药物（氟喹诺酮类、可注射类二线药物）进行快速药敏测试。
考虑到现有诊断技术均存在一定的局限性，需优先考虑开发新型诊断技术，已有一些（新）诊断工具正在研发中。然而，虽然这些新技术看起来强力有效，但大多都是为实验室环境设计的，使用的是已经确证的结核病生物标记——结核分枝杆菌的细菌核酸序列。要满足一线治疗要求，还需要展开若干短期、中期和长期工作。短期内，应努力扩大分子检测替代痰涂片镜检的范围，2017年WHO已评估该技术的使用情况；而XpertXDR 则可以检测更多关键药物的耐药情况（异烟肼、氟喹诺酮类、氨基糖苷类）。
新的分子技术还可以鉴定与药物相关的基因突变，帮助实现在诊断时为所有活动性结核病患者提供通用的药物敏感性检测。新一代测序工具显示出了极大潜力，但是，将其转化为可在低收入、高负担国家使用的一线工具，仍有很长一段路要走。中期内，应优先研发可在基层医疗服务机构使用的快速、低成本、不依赖于痰标本的检测方法。这类检测要鉴定出合适的生物标记（抗原、抗体、挥发性有机化合物、酶标记等）。截至目前，尽管有几种生物标记已经被鉴别出，但相关验证还在进行中。
长期目标是找到特定生物标记，稳定预测哪些结核潜伏感染人群发展为活动性结核病的风险最高，高风险的感染者能接受预防性治疗，而庞大的结核潜伏感染人群也能够成功缩小。另一长期目标是开发基于生物标记的治疗效果评价检测工具，现行的分子检测都还不能达到这一目的。
细菌学诊断曾经是结核病实验室诊断最重要的技术。随着时代的进步，越来越多新技术不断涌现，尤其是分子生物学诊断技术的开展，为结核病诊疗带来了革命性改变，大大提高了结核病实验室诊断的灵敏度和特异度。应该看到，细菌学诊断仍然是结核病实验室诊断的基础。一方面，传统诊断技术经过了漫长的时间考验，其可靠性和实用性不容置疑。另一方面，传统诊断技术价格低廉、技术简单、易于开展的特点，使其仍然是经济欠发达地区诊断结核病的主要技术手段。