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中医诊断学理论，包括“诊法”与“诊道”两方面。“诊法”一词，见于《素问·脉要精微论》等，指诊、审、察、候、阅、视、切、循、扪、按等一套认识病证的操作方法；“诊道”一词，见于《素问·方盛衰论》，指揆度、外揣和以意和之等辨别判断、意象推求的思维方式。在诊法方面，有色脉诊、闻诊、问诊、尺肤诊、经络诊、弹踝诊法等，堪为丰赡。之外，对健康状态和某一特定生理过程（例如妊娠）的判断也归之于诊法的范畴。其中的脉诊，是祖国医学的重大发明之一。在诊道方面，基于“合而察之，切而验之，见而得之”的前提下，运用辩证思维、全息思维，以及“意”的悟性思维，发挥想象力，予以创造性地判断病证。
在《内经》以前的巫医时代，巫医们对疾病的确定主要靠“占筮”，《史记·扁鹊仓公列传索隐》说：“诊，占也”，说诊是由“占”演化而来。当医学理论建立以后，医生们总结了临床经验，在方法论指导下，形成了诊断学。《内经》既奠定了诊断方法的理论，又具代表性。中医诊断方法又称“四诊”，这在《内经》中就已经很系统了。四诊是望、闻、问、切四诊，本是综合应用，不可分割的，唯重点则在望色和切脉。故《素问·脉要精微论》说：“切脉动静而视精明，察五色，观五脏有余不足，六腑强弱，形之盛衰，以此参伍，决死生之分。”所谓“参伍”，就是指望色与切脉的配合。正因为必须把两者配合好，才能进行较全面的诊察。所以《五脏生成篇》强调说：“脉之大、小、滑、涩、浮、沉，可以指别，五脏之象，可以类推；五脏相音，可以意识；五色微诊，可以目察；能合脉色，可以万全。”这里尽管把望诊、闻诊、切诊都提到了，但最后的结论，还是在于“能合脉色”。古人把色与脉的关系，看作是根与叶的关系，根生则叶茂，根死则叶枯。《灵枢·邪气脏腑病形篇》说：“色脉与尺之相应也，如桴鼓影响之相应也，不得相失也，此亦本末枝叶之出候也。”“色青者，其脉弦也；赤者，其脉钩也；黄者，其脉代也；白者，其脉毛；黑者，其脉石。见其色而不得其脉，反得其相胜之脉则死矣；得其相生之脉，则病已矣。”
中医诊断学依据“象”和“气”，以及“神”和“形”。“象”导源于先民之“观物取象”，象有现象、意象、法象的不同。“见乃谓之象”的现象是最主要的。医家把“形见于外”的人体征象和关于脏的知识结合起来，构建了脏象论。据脏象论进行诊断，其要旨在于观病人之象。脏象论是关于整体的、活的机体的理论。《内经》中诊法也极重视整体性和动态性，以功能变化审视病能，故而重视神气和神色。即“粗守形，上守神”。形是现象，神是动态显露的本质，以守神为上工。既是守神，就要注目于变化的病情。《素问·六节藏象论》说：“气合而有形，因病以正名”，应根据变化了的病形，来不断改变以前的认识。《内经》中的脏象论，经历了《灵枢·九宫八风》之八卦脏象、《素问·六节脏象论》之六节脏象论之后，发展为以五行为框架的五行全息脏象论，此论天才地发现了人体各器官的功能的信息，在人身某一局部的表象有如缩影一样的同一性，即部分中有整体的信息。例如，《灵枢·五色》论说了面庞有五脏六腑肢节“各有部分”的投影；《素问·五脏别论》《素问·脉要精微论》记述寸口脉可昭示五脏六腑的信息，故气口可“独以五脏主”；《灵枢·大惑论》提出眼诊之五脏全息；《灵枢·厥病》指出耳穴可有体病之全息；《灵枢·经脉》《灵枢·经别》《灵枢·奇病论》分别指出脏腑的信息可通过经络反映在舌上。这种“见微而知著”的全息理论，用诸于诊断，形成了中医脉诊、舌诊等独具蕴义的诊法。
在《内经》部分篇论里，尚有占筮和相术的内容，例如，《灵枢·九宫八风》篇中的以九宫八风占病；《灵枢·师传》《灵枢·五阅五使》篇等，以相面术先辨五官之形与色气，以推测脏腑病变和吉凶；《灵枢·寿夭刚柔》《灵枢·天年》等篇，以观察耳廓和面部来推测寿夭等。其内容的科学性有待进一步研究。但这些篇论为我们认识中医学诊断思路的发展脉络提供了线索。说明在《内经》诊断学确立之前，有一个巫术文化时代的占断阶段，其特点是以占与相术（有些相术与一定的经验相联系）来推断疾病。但是《内经》的作者，扬弃了占与相术，脱却了巫术，把医学经验与哲学结合起来，建立了内容丰富的诊断学。
中医的诊断，为“形能”之学，有其一套独特的操作技术规范，具有实用性。诊断之操作，素以“平人”为参照对象，《灵枢·始终》以此提出了健康人的定义：“所谓平人者，不病。不病者，脉口、人迎应四时也，上下相应而俱往来也，六经之脉不结动也，本末之寒温之相守司也，形肉气血必相称也，是谓平人”，适应外界环境与内部机能和谐地统一为健康，反之为疾病。对病的诊断依据是据象论病，把疾病视为人体机能变化的一种自然过程。这是过程论的思想。《素问·玉机真脏论》说：“善者不可得见，恶者可见”，无功能变化的“善者”当然见不到病象，而有功能变化的恶者有病象可见。因此，诊断的前提首先是“知病知不病”。对于病脉的诊断，《素问·平人气象论》提出了用医者（健康人）的呼吸来测定脉搏迟速的方法：“人一呼，脉再动；一吸，脉亦再动；呼吸定息，脉五动，闰以太息；命曰平人，平人者，不病也。当以不病调病人。医不病，故为病人平息以调之，为法。”一呼一吸合为一息，脉跳五次，平常呼吸时偶然有一息较长超过五跳的，这时的一息，犹如闰年闰月一样，叫作闰以太息，也为平人。闰以太息如与今日之心脏听诊对照的话，即是窦性心律不齐或呼吸性心律不正，属于健康人的心律。以息断脉的技术，显示了《内经》时代医家的智慧。
诊断始于观察。包括“审察于物”“立形定气”“详察间甚”等，在操作上，应该“必察其上下，适其脉候，观其意志与病能”，要“明于日月，微于毫厘”，宏观与微观相结合，“诊可十全”，才能“视其外应，以知内脏”。《内经》高度重视诊断的规范化问题，如《灵枢·逆顺肥瘦》所说：“必有明法，以起度数，法式检押，乃后可传焉。故匠人不能释尺寸而意短长，废绳墨而起平水也，工人不能置规而为圆，去矩而为方。”在度量上，《内经》继承了古代以人为度，即以人体某一部位为标准的测量方法。《史记·夏本纪》说禹定度数的方法是“声为律，身为度”，禹将自己的身长定为一丈，其十等分之一为一尺。《素问·方盛衰论》言“诊有十度”，其骨度、脉度等皆循此法。《素问·上古天真论》将成年男子称为“丈夫”，也因该时男子身高一丈左右而以“丈夫”称谓男子。《内经》腧穴测量定位之尺寸也循此法，科学而方便。
《内经》记载的检测方法很多，大抵以实用性为特征。《灵枢·水胀》篇记述了以腹诊候臌胀的方法：“以手按其腹，随手而起，如裹水状，此其候也。”《灵枢·寒热》记载了以“反其目视之”，用翻眼睑去诊察病情，并以观瞳子来判定预后。《灵枢·骨度》运用表面解剖知识以骨定脉。《素问·三部九候论》述有弹踝诊法检查脉气相应的程度。《素问·通评虚实论》记有测小儿脉与手足寒温定病情的方法。《内经》的经络诊法是诊治一体的。《灵枢·百病始生》记有：“察其所痛，以知其应”，《素问·八正神明论》也言：“问其所痛，索之于经”，而《灵枢·背腧》则是“欲得而验之，按其处，应在中而痛解，乃其腧也”，以及《灵枢·经筋》之“以痛为腧”等，都把诊察到的经脉和痛处作为治疗的部位，援诊断为治疗，具有实用性。《内经》之脉诊有数篇论及，其诊法由繁而简，向精练方便的路向发展。《素问·三部九候论》系采用九个部位的遍诊法，《灵枢·始终》《灵枢·禁服》等则采用人迎、寸口脉法，而在《素问·五脏别论》已经独取寸口了。这种简练的脉诊方法更趋实用。《素问·疏五过论》说：“凡诊者，必知始终，知有余绪。”“必知始终”，是说要了解疾病的整个过程，“知有余绪”，是要能预见疾病的后果。《素问·三部九候论》根据脉之虚实？“以决生死”《灵枢·邪客》则“因目视之五色，以知五脏而决死生”；而《素问·脉要精微论》采用综合的“参伍以决”的方法，即“以此参伍决死生之分”。《素问·玉机真脏论》《素问·三部九候论》等论说了死候的真脏脉。系把阴阳失其冲和而尽露五脏本质的脉称为真脏脉。该脉已失代偿而全无胃气，即“但代无胃”“真脏之气独见，独见者病胜脉也，故曰死”。这种诊断思想也贯穿于五色诊中，例如《素问·五脏生成》篇云：“故色见青如草兹者死，黄如枳实者死，黑如炽者死，赤如衄血者死，白如枯骨者死，此五色之见死也。”也以五色尽露为死候。
《内经》的诊断思维，并非是一因对一果的线性逻辑方式，乃是辩证逻辑的思维方式，其特点有三：
一是诸诊合参与凭一而断相结合。《灵枢·胀论》认为，脏腑“若匣匮之禁器”，故其诊治手段尽宜非手术方式，以达宝命全形的目标。“视其外应，以知内脏”属黑箱方式，这种诊断方式，信息量愈大，准确率愈高，能综合多种候病、诊法所得的信息，即《灵枢·邪气脏腑病形》所谓：“见其色，知其病，命曰明；按其脉，知其病，命曰神；问其病，知其处，命曰工。”各种诊之所得综合起来“能参合而行者，可以为上工”。《素问·脉要精微论》也说：“以此参伍以决死生之分。”这种思想与《易大传·系辞》所言“参伍以变，错综其数”相一致。另一方面，《内经》又提出了“至道在微”的全息诊法。某一局部的病征也可以显示整体的全部特征，即后世《伤寒论》所言的“但见一证便是”。这种全息观也出自《周易》，即以卦爻为信息码的全息思想。《内经》的作者正是把上述两种诊断思维结合起来运用而有此理蕴的。
二是用标本理论统一主观与客观。诊断是由主体参与的操作行为。例如切脉，是“切者合也”，包含了医生的学识与经验，如何使主客观统—起来，《内经》提出了重信息、重客观的标本理论，即以病为本、工为标。本是根基，标是枝末，病能是本，而医生、医学理论乃至诊断技术等是标。《素问·汤液醪醴论》提出：“病为本，工为标。标本不得，邪气不服。”病是客观存在的，而工则是主观因素。在处理主观与客观、意识与存在的问题上，《内经》坚持了尊重客观的反映论。《素问·移精变气论》以此告诫医生：“逆从倒行，标本不得，亡神失国。”
三是重视鉴别诊断，坚持逻辑思维与悟性思维的统一。《素问·示从容论》说：“别异比类，犹未能以十全。”《素问·疏五过论》也强调：“善为脉者，必以比类奇恒，从容知之。”而《素问·征四时论》则警示医生：“不知比类，足以自乱，不足以自明。”此般论述，说明比较、鉴别是《内经》诊断思维的要点之一。可概括为一个“辨”字。而“辨”的内容是非常丰富的，如《素问·方盛衰论》所说：“知丑知善，知病知不病，知高知下，知坐知起，知行知止，用之有纪，诊道乃纪，万世不殆。”这说明，《内经》的诊道，决不仅是收录工作，而是要医生们用头脑进行分析比较，诊道的作用不下于诊法。在诊断时，一方面遵循理论进行逻辑思维，包括运用规范“以起度数，法式检押”，定方圆、辨逆顺。但在某些无规范可“检押”，不能运用模式思维的时候，医家应该“以意和之”。“意”即是悟性思维或灵感思维。《素问·著至教论》说“臣治疏愈说意而已”。把医生的创造性思维提到一个超越经验的高度。《素问·八正神明论》说这便达到了“神”的境界：“请言神，神乎神，耳不闻，目明心开而志先，慧然独悟，口弗能言，俱视独见，适若昏，昭然独明，若风吹云，故曰神。”此时医生的直觉判断难以言表，即《庄子·天道》所谓：“语之所贵者意也；意有所随，意之所随者，不可以言传也。”后世医家称此为“医者意也”。在《内经》中，将逻辑思维与悟性思维综合而用，形成了以运用辩证逻辑为主的诊断思维方式，这也是祖国医学的特色之一。