האבחנה מתבססת בראש ובראשונה על הסיפור האופייני לתעוקת חזה בו החולה מתאר הופעה של כאב לוחץ בחזה בזמן מאמץ או מתח והיעלמות של הכאב במנוחה. את ביסוס האבחנה ניתן לבצע במספר דרכים:
אלקטרוקרדיוגראם (E.C.G) : התכווצות הלב מתווכת דרך זרם חשמלי אותו ניתן למדוד ולרשום באמצעות מספר אלקטרודות המוצמדות לגוף המודדות את הזרמים בלב מזוויות שונות. התכווצות הלב התקינה מלווה במספר גלים "קלאסיים" המסומנים באותיות P,Q,R,S,T כאשר יש איסכמיה מקומית בשריר הלב כמו במצב של תעוקת חזה מופיעים שינויים בגלי הא.ק.ג המעידים על כך (בעיקר צניחות גלי T,S). חשוב לציין שבזמן בו התעוקה חולפת הא.ק.ג לרוב תקין.
אקו Echocardiogram)) : בבדיקה זו משתמשים בהחזר של גלי הקול (ultrasound) על מנת ליצור תמונה של הלב בזמן אמיתי. את בדיקת האקו ניתן לבצע תוך כדי ביצוע מאמץ אמיתי או דימוי מצב של מאמץ באמצעים תרופתיים וכך ניתן לזהות אזורים בלב שלא מתפקדים בצורה טובה בעקבות אספקת הדם הירודה.
אנגיוגראפיה כלילית (coronary angiography) : בדיקה זו הינה חלק מקבוצה רחבה של בדיקות הנקראות בשם כולל צינתורים. בבדיקה זו מוזרק חומר, אותו ניתן לראות בזמן שיקוף רנטגן, אל כלי הדם הכליליים, כך שניתן לזהות אזורים בהם קיימת חסימה מלאה או חלקית בכלי הדם. את הצנתר מחדירים מכלי דם פריפרי, לרוב ברגל, ומעבירים אותו עד לכלי הדם של הלב.
CT של כלי הדם הכליליים (Cardiac computerized tomography scan) : בבדיקה זו משתמשים בCT בשילוב עם הזרקה של חומר ניגוד לכלי דם פריפרי לצורך הדמייה של העורקים הכליליים.
מיפוי לב באמצעות תליום (Thallium Stress Test) : בבדיקה זו מבצעים שימוש בחומר רדיואקטיבי לצורך בחינה של כמות אספקת הדם לשריר הלב. בדיקה זו מבוצעת בדרך כלל תוך כדי ביצוע מאמץ באופני כושר או במכשיר הליכה. באנשים שאינם מסוגלים לבצע מאמץ בעקבות חולשה או מגבלה פיזית אחרת ניתן להזריק חומר המאיץ את פעילות הלב וכך גורם למצב המדמה מאמץ.
החולה מתחיל במאמץ כאשר עצימות הפעילות הולכת ועולה עד לעוצמת פעילות בה החולה מתחיל לחוש את הסימנים של תעוקת החזה בשלב זה מוזרק אל הווריד חומר רדיואקטיבי הנקרא תליום. לאחר מכן החולה שוכב על גבי שולחן ומצולם בעזרת מצלמה מיוחדת (מצלמת גמא) הקולטת את התליום. המצלמה מדגימה את כמות התליום בכל איזור בלב בעזרת צבע שונה כך שניתן לראות האם קיימים אזורים בלב בהם ריכוז התליום נמוך, מה שמצביע על אספקת דם ירודה לאותו אזור. ניתן לחזור על הצילום גם כעבור מספר שעות וכך אפשר לראות האם בזמן מנוחה כל האזורים בלב מקבלים אספקת דם מתאימה.
הבדיקה נחשבת לבדיקה בטוחה וסיבוכים מופיעים רק במקרים נדירים
(~1:1500) הסיבוכים כוללים: תגובה אלרגית, פריחה, שינויים בלחץ הדם, הפרעות בקצב הלב וקוצר נשימה. כמות הקרינה בבדיקה היא נמוכה מאד ואינה גורמת לסיכון עבור החולה.