A neurológiai vizsgálat során az idegsebész áttekinti a páciens kórtörténetét, természhetesen különös figyelemmel az aktuális állapotra. Ezután rélszletes neurológiai vizsgálat következik. A vizsgálat során ellenőrizzük a mentális állapotot, emellett az agyidegek (beleértve a szaglás, látás, hallás, szemmozgatás) működését, az izomerőt, a koordinációt, a reflexeket és az érzékelést. Ezek a tesztek az esetek döntő többségében segítenek eldönteni azt, hogy a probléma idegrendszeri eredetű-e és ha igen, akkor mely területre lokalizálható. A pontos lokalizáció kulcsfontosságú, mert az idegsebész ez alapján állítja fel a diagnózist. Továbbá, vizsgálatok lehetnek szükségesek a diagnózis megerősítése érdekében, valamint ezek segítségével lehet meghatározni a megfelelő kezelést.
Az idegsebészet nagymértékben a képalkotó vizsgálatokra támaszkodik, melyek közül gyakori a CT és az MR. Ezen kívül speciális vizsgálatokra is szükség lehet, olyanokra mint a CT-angiográfia, MR-angiográfia. Viszonylag új vizsgálati lehetőség a Diffúziós MR, melynek többirányú diffúziós-tenzoros verziója alapot ad a számitógépes utómunkával végezhető Diffúziós-tenzoros traktográfia számára. Ezt az eljárás viszonylag ritkán használják, mi több műtéti típus tervezéséhez is alkalmazzuk. Az MR-spektroszkópia, funkcionális MR, PET-CT vizsgálat, neuropszichológiai és elektrofiziológiai vizsgálatok alapján további információhoz juthatunk, amennyiben kérdések merülnek fel. Szükséges lehet az idegsebészert mellett más társszakmák bevonása is, például a szemészet, orr-fül-gégészet, pszichiátria, neurológia.