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膀胱癌诊断依据包括临床表现、尿细胞学及肿瘤标志物检查、内镜及病理检查、诊断性经尿道膀胱肿瘤电切术（transurethral resection of bladder tumors，TURBT）及影像学检查。体检触及盆腔包块是局部进展性膀胱癌的证据，但是体检对于T 2 期以下膀胱癌的诊断价值有限。尿细胞学阳性表明泌尿系统的任何部分包括肾盏、肾盂、输尿管、膀胱和尿道，均有存在尿路上皮癌的可能，但缺乏定位信息。尿细胞学阳性的患者，往往提示其为高级别尿路上皮癌；对于低级别尿路上皮癌，尿细胞学阳性率低，需要借助其他检查如膀胱镜检查、活检等明确诊断。尿细胞学检查结果可受多种因素影响。
膀胱癌T分期取决于膀胱镜检查和经尿道膀胱肿瘤切除术病理评估。膀胱镜检查可明确肿瘤数目、大小、形态、部位以及周围膀胱黏膜的情况，同时也可对可疑病变活检以明确病理诊断。膀胱内镜检查为有创性检查，通常在局部麻醉下进行。经尿道膀胱肿瘤切除术可以对膀胱癌进行分期，并且可评估肿瘤组织学亚型和肿瘤分级。然而，经尿道膀胱肿瘤切除术对膀胱癌T分期低估率可高达40%，25%肌层浸润性膀胱癌被漏诊。由于经尿道膀胱肿瘤切除术会造成T分期误判，多达15%的膀胱癌患者经常需要重复此手术。此外，通过经尿道膀胱肿瘤切除术来评价膀胱癌T分期存在操作医师经验依赖性。病理学家对于膀胱癌T分期判断可有15%～56%不一致。
影像检查可评价膀胱癌的侵袭性、局部或远处转移以及上尿路受累情况，利于判断膀胱癌临床分期。影像学检查包括超声、电子计算机断层扫描（computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）和正电子发射计算机断层显像（positron emission tomography/computed tomography，PET/CT）检查。
超声检查是诊断膀胱癌最常用、最基本的项目，但其准确性受操作者水平的影响，且其诊断准确率与肿瘤大小成正比，其对大于5mm的有蒂膀胱肿瘤检出敏感性为61%～84%。
CT检查可用于膀胱癌诊断和判断T分期，还可检出上尿路病变。CT在非肌层浸润性膀胱癌T分期诊断中的作用有限，存在T分期不足的风险。而对于肌层浸润性膀胱癌，CT可同时评估膀胱和上尿路的尿路上皮病变，评估邻近器官（前列腺或精囊等）和膀胱周围脂肪的受侵情况，检出是否存在淋巴结转移和远处转移（肺、脑和肠等部位），从而指导T分期的诊断。CT诊断膀胱周围组织或周围脂肪受侵的敏感性和特异性分别为89%和95%。但CT在TURBT后的膀胱癌T分期诊断中作用有限，T分期可能被高估。CT无法评估膀胱癌侵犯膀胱壁情况。CT对软组织的分辨率有限，仅能检出受侵后呈肿块样的前列腺或精囊。此外，CT具有辐射风险。膀胱多发性肿瘤、高危肿瘤及膀胱三角区肿瘤患者建议行CT/CTU检查，CTU能提供更多的泌尿系统信息（包括上尿路、周围淋巴结和邻近器官的状态），CTU已基本取代静脉尿路造影。
MRI的研究开始于20世纪40年代，直到80年代初才应用于膀胱，使用T1W和T2W序列对膀胱癌分期进行辅助诊断，但其诊断准确率有限，且不同医师间的诊断差异较大，难以满足临床诊疗的需求。随着MRI功能序列检查的出现，扩散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI），动态对比增强（dynamic contrast enhancement，DCE），多参数磁共振成像（multiparametric MRI，mpMRI）均显示出良好的安全性、较高的软组织分辨率，并可多方位、多层面、多序列成像，可较好地显示肌层浸润或非肌层浸润性膀胱癌、膀胱周围组织侵犯、局部或远处转移情况，明显提高了对膀胱癌的诊断准确率和对治疗疗效的评估价值。MpMRI的敏感性、准确性高于CT，具有重要的临床应用价值。因此推荐采用包括常规序列与功能序列的mpMRI综合评价膀胱癌患者的情况。
放射性核素氟脱氧葡萄糖（FDG）PET/CT可检出淋巴结转移和远处转移（肺、脑和肠等部位），可应用于肌层浸润性膀胱癌患者的术前分期、晚期膀胱癌患者转移情况及疗效评价。由于FDG会经肾脏排泌到膀胱，影响膀胱内较小肿瘤及膀胱周围区域淋巴结的显影，且费用昂贵，因此PET/CT不是常规检查项目。此外，FDG PET/CT具有辐射风险。