线粒体疾病的生化诊断当一个患者的基因变异不能被确定时，完整的生化检查可以辅助诊断。
代谢产物分析(血液、尿液、脑脊液等)血液可以正常，但脑脊液多异常，(动脉比静脉好);乳酸/丙酮酸比高(>50:1) 提示呼吸链受到阻断。正常不除外线粒体疾病
酶测定 氧化磷酸化(OXPHOS)系统的酶活性测定。(western、比色法等)方法不稳定 一般情况下，血清CK正常或轻度升高；升高占30%见于慢性进行性眼外肌麻痹 ；mtDNA丢失时非常高。
肌肉活检线粒体病的肌肉病理改变特点： (1)出现线粒体结构异常、细胞色素阴性肌纤维或RRF为主要病理改变。 (2)上述病理改变出现的频率高。 (3)缺乏其他的肌肉病理改变。J inherit Metab Dis.2011 April;34(2):283-292