Η διάγνωση στηρίζεται στην παρουσία αέρα στο χώρο γύρω από τους πνεύμονες. Ο γιατρός, χρησιμοποιώντας ένα στηθοσκόπιο, μπορεί να ανιχνεύσει αλλαγές στον ήχο των πνευμόνων, αλλά ο εντοπισμός ενός μικρού πνευμοθώρακα μπορεί να είναι ιδιαίτερα δύσκολος. Τα αποτελέσματα ορισμένων τεχνικών απεικόνισης μπορεί να είναι δύσκολο να αξιολογηθούν λόγω της θέσης του αέρα μεταξύ του τοιχώματος του θώρακα και του πνεύμονα.
Οι απεικονιστικές τεχνικές που χρησιμοποιούνται ευρέως για τη διάγνωση του πνευμοθώρακα περιλαμβάνουν:
Οπισθοπρόσθια ραδιογραφία θώρακα
Αξονική τομογραφία
Υπερηχογράφημα θώρακος