Om de diagnose encefalitis te stellen, worden eerst de symptomen en de medische voorgeschiedenis onderzocht tijdens een medisch consult (anamnese). Bijzonderheden zoals vroegere algemene ziekten, virale infecties of tekenbeten zijn bijzonder belangrijk. Recente vakantiereizen en contact met boerderijdieren of andere mensen met encefalitis zijn ook belangrijk. Zo nodig wordt een extra poging ondernomen om een tweede beschrijving te krijgen van een familielid of vriend van de patiënt, aangezien personen met encefalitis vaak beperkt zijn in hun denken, waarnemen en vermogen om te communiceren.
Vervolgens wordt een gedetailleerd lichamelijk (lichamelijk) en neurologisch onderzoek verricht. Naast de hierboven beschreven symptomen worden soms ook huidsymptomen of verstoringen van de waterhuishouding vastgesteld.
Als encefalitis wordt vermoed, wordt via een lumbaalpunctie een monster van het hersenvocht (CSF) genomen, dat in het laboratorium wordt onderzocht op de aanwezigheid van ziekteverwekkers of tekenen van ontsteking. Het precieze type ziekteverwekker kan worden bepaald met behulp van een polymerase-kettingreactie (PCR), aangezien zelfs de kleinste hoeveelheden virusdeeltjes volstaan om de oorzaak van de ziekte vast te stellen. Aangezien de verwekkers van encefalitis echter vaak pas na langere tijd aantoonbaar zijn en het hersenvocht in de acute fase van de hersenontsteking nog vrij is van verwekkers, wordt de diagnose "encefalitis" in veel gevallen gesteld op basis van de karakteristieke symptomen. Pas in een later stadium wordt de diagnose bevestigd door laboratoriumdiagnostiek.
Normaal gesproken wordt bij verdenking op encefalitis ook een computertomografie (CT-scan) gemaakt om andere hersenaandoeningen zoals een hersenbloeding uit te sluiten. Magnetische resonantie beeldvorming (MRI) kan ook worden gebruikt. Vaak wordt een elektro-encefalografie (EEG) verricht om de gevolgen van de ontsteking voor de hersenfunctie in het beginstadium van de ziekte beter in beeld te brengen.