W morfologii krwi obwodowej stwierdza się niedokrwistość, prawidłową, zwiększoną lub zmniejszoną liczbę krwinek białych, na początku choroby zwiększoną, a w późniejszych fazach zmniejszoną liczbę płytek krwi.
W rozmazie krwi typowy jest odczyn leukoerytroblastyczny z obecnością wczesnych stadiów rozwojowych krwinek czerwonych i białych, tzw. erytroblastów i blastów, także krwinki czerwone w kształcie „kropli łez” oraz płytki olbrzymie.
W badaniach dodatkowych charakterystyczna jest podwyższona aktywność dehydrogenazy mleczanowej (LDH).
W trakcie badania szpiku kostnego trudno uzyskuje się materiał szpiku (aspirat) do badań z powodu włóknienia (tzw. punkcja sucha). W tej sytuacji konieczne jest wykonanie badania histopatologicznego (trepanobiopsja szpiku) z pobraniem fragmentu kości. Badanie histopatologiczne szpiku stanowi podstawę rozpoznania mielofibrozy.
Dodatkowo konieczne jest wykonanie badań molekularnych szpiku kostnego lub krwi w kierunku nabytych mutacji charakterystycznych dla mielofibrozy, w tym mutacji JAK2 V617F, MPL i CARL. Około 10-15% chorych nie ma żadnej wspomnianej mutacji, są to chorzy „potrójnie negatywni”. Należy także wykonać badania molekularne na obecność genu BCR-ABL1, aby wykluczyć przewlekłą białaczkę szpikową.
Badanie cytogenetyczne szpiku kostnego (kariotyp lub badanie techniką FISH) powinno być rozważone u chorych kwalifikowanych do przeszczepienia szpiku kostnego. Obecność określonych zaburzeń genetycznych ma znaczenie rokownicze i może stanowić wskazanie do przeszczepienie szpiku kostnego.
W różnicowaniu mielofibrozy z innymi chorobami wyklucza się wtórne przyczyny włóknienia oraz inne nowotwory mieloproliferacyjne.