Việc chẩn đoán bệnh lao màng não được thực hiện bằng cách phân tích dịch não tủy lấy từ quá trình chọc dò thắt lưng. Khi lấy dịch não tủy để xét nghiệm bệnh lao màng não, nên lấy tối thiểu 1 ml dịch (tốt nhất là 5 đến 10ml).[10] Dịch não tủy người bệnh thường có hàm lượng protein cao, glucose thấp và số lượng tế bào lympho tăng đột biến. Thỉnh thoảng có thể nhìn thấy trực khuẩn kháng acid trong dịch não tủy, tuy nhiên phổ biến hơn là trực khuẩn lao được nuôi cấy.[11] Bên cạnh đó có thể tìm thấy một cục máu đông hình nhện trong dịch não tủy (đây là đặc điểm của bệnh lao màng não), tuy nhiên điều này hiếm khi xảy ra. Xét nghiệm ELISPOT không hữu ích để chẩn đoán lao màng não và thường cho ra kết quả âm tính giả,[12] tuy nhiên kết quả này có thể trở thành dương tính khi người bệnh bắt đầu quá trình điều trị.

Kiểm tra khuếch đại axit nucleic (NAAT)

Đây là một nhóm xét nghiệm sử dụng phản ứng chuỗi polymerase (PCR) để phát hiện axit nucleic của vi khuẩn.[13] Phương pháp này khác nhau về trình tự axit nucleic và độ chính xác giữa chúng. Hai xét nghiệm thương mại phổ biến nhất là xét nghiệm AMTD/Gen-Probe và Amplicor.[14] Vào năm 2007, một bài đánh giá đưa ra kết luận rằng tỉ lệ chẩn đoán lao màng não của xét nghiệm AMTD là "tốt nhất" với độ nhạy 74% và độ đặc hiệu lên đến 98%. Họ cũng nhận thấy rằng tỷ lệ người mắc bệnh lao màng não là 29%.[15]