Um eine Enzephalitis zu diagnostizieren, werden zunächst in einem ärztlichen Gespräch (Anamnese) die Beschwerden sowie die Krankengeschichte erhoben. Besonders wichtig sind dabei Details wie vorhergegangene allgemeine Erkrankungen, Virusinfektionen oder Zeckenbisse. Auch Urlaubsreisen in jüngster Vergangenheit sowie Kontakt mit Nutztieren oder anderen Personen mit Gehirnentzündungen sind von Bedeutung. Bei Bedarf wird zusätzlich versucht, eine zweite Beschreibung von einem Verwandten oder Freund des Patienten zu erhalten, da Personen mit einer Gehirnentzündung oftmals in ihrem Denken, ihrer Wahrnehmung und Mitteilungsfähigkeit eingeschränkt sind.
Im Anschluss wird eine genaue physikalische (körperliche) und neurologische Untersuchung durchgeführt. Hierbei werden manchmal neben den beschriebenen Symptomen auch Hauterscheinungen oder Störungen des Wasserhaushaltes festgestellt.
Bei Verdacht auf eine Enzephalitis wird mittels Lumbalpunktion eine Probe der Gehirnflüssigkeit (Liquor cerebrospinalis) entnommen und im Labor auf das Vorhandensein von Erregern oder Entzündungszeichen hin untersucht. Die genaue Art des Erregers kann mithilfe einer Polymerasekettenreaktion (PCR) bestimmt werden, da hierbei schon geringste Mengen an Viruspartikeln für die Bestimmung der Krankheitsursache ausreichend sind. Da Erreger einer Enzephalitis jedoch häufig erst nach längerer Zeit nachweisbar sind und der Liquor in der Akutphase der Gehirnentzündung noch frei von Erregern ist, wird in vielen Fällen aufgrund des charakteristischen Beschwerdebildes die Diagnose „Enzephalitis“ gestellt. Erst zu einem späteren Zeitpunkt wird die Diagnose dann labordiagnostisch bestätigt.
Normalerweise wird bei einem Verdacht auf eine Enzephalitis zusätzlich eine Computertomographie (CT) durchgeführt, um andere Hirnerkrankungen wie beispielsweise eine Hirnblutung auszuschließen. Auch der Einsatz einer Magnetresonanztomographie (MRT) ist möglich. Um die Folgen der Entzündung auf die Gehirnfunktion bereits in frühen Phasen der Erkrankung besser sichtbar zu machen, wird häufig eine Elektroenzephalographie (EEG) durchgeführt.