Die Diagnose TOS wird klinisch gestellt bei typischer Schmerzanamnese, Druckschmerz des Plexus brachialis, schwachem Händedruck, Schwäche des M. trizeps und der M. interossei sowie Hypästhesie im Bereich der Hand und des Unterarmes. Durch den Provokationstest nach Roos lassen sich bei Patienten mit TOS die Symptome der unteren Plexuskompression auslösen und die Diagnose sichern. Dazu werden die Arme 90 Grad abduziert und 90 Grad im Ellenbogen gebeugt. Dann wird drei Minuten lang die Faust geöffnet und geschlossen. In dieser Zeit treten die typischen Beschwerden auf.

Bei oberer Plexuskompression können die Symptome durch eine Dehnung des M. skalenus ausgelöst werden. Dazu wird der Arm der betroffenen Seite nach hinten gestreckt, der Kopf zur Gegenseite geneigt und gedreht.

Elektrophysiologische Untersuchungen der Nerven (NLG, SEP) tragen zur Diagnose TOS nichts bei, können aber weiter distal gelegene Nervenkompressionen nachweisen bzw. ausschließen.

Ein MRT der oberen Thoraxapertur kann sowohl die atypischen Knochen- und Weichteilstukturen nachweisen, die ein TOS verursachen, als auch Veränderungen an den Gefäßen.

Durch ein MRT der Halswirbelsäule wird eine Kompression der Nervenwurzeln durch Bandscheibenvorfälle ausgeschlossen.

Bei vaskulären Symptomen erfolgt eine angiographische Darstellung der betroffenen Gefäße (Arteriographie oder Phlebographie).