Bệnh cần phải được phân biệt với bất sản hồng cầu đơn thuần. Ở suy tủy xương, các bệnh nhân có tình trạng giảm 3 dòng (cả bạch cầu và tiểu cầu). Ngược lại, bất sản hồng cầu đơn thuần đặc trưng bởi chỉ giảm các tế bào hồng cầu. Chẩn đoán chỉ có thể được xác định nhờ sinh thiết tủy xương. Trước khi thủ thuật này được thực hiện, bệnh nhân thường được xét nghiệm máu để tìm định hướng chẩn đoán, bao gồm công thức máu, chức năng thận và điện giải, men gan, chức năng tuyến giáp, nồng độ vitamin B12 và acid folic.

Các xét nghiệm sau giúp chẩn đoán phân biệt suy tủy xương:

1. Chọc hút và sinh thiết tủy xương: để loại trừ nguyên nhân giảm 3 dòng khác(ví dụ ung thư xâm lấn hoặc xơ tủy nặng).
2. Tiền sử tiếp xúc với hóa trị độc tế bào: có thể gây ra ức chế tủy xương thoáng qua
3. X-quang, chụp cắt lớp vi tính (CT), hoặc siêu âm: hạch tăng kích thước (dấu hiệu của u lympho), thận, xương ở cánh tay và bàn tay (bất thường trong thiếu máu Fanconi)
4. Chụp X-quang: nhiễm trùng
5. Chức năng gan: bệnh gan
6. Xét nghiệm tìm virus: nhiễm virus
7. Vitamin B12 và nồng độ folate: thiếu vitamin
8. Các xét nghiệm máu cho tan máu kịch phát về đêm
9. Xét nghiệm kháng thể: chức năng miễn dịch