诊断白血病非常重要的依据，是骨髓当中可以出现白血病细胞。
急性白血病的患者骨髓当中主要是出现原始，以及幼稚的白血病细胞，可以是原始以及幼稚的粒细胞，也可以是原始以及幼稚的淋巴细胞，还有可能会出现原始以及幼稚的单核细胞。有时如果是出现了原始巨核细胞增多，也可以诊断急性白血病。
而发生慢性白血病时骨髓当中是以部分分化的、比较成熟的白血病细胞为主。比如慢性粒细胞白血病的患者，骨髓当中是以中晚等幼稚粒细胞为主，慢性淋巴细胞白血病的患者骨髓当中是以成熟的小淋巴细胞为主。
诊断白血病时，还需要结合骨髓活检的检查、流式细胞学的检查，以及染色体的检查。