患者體溫高，呈弛張熱。白細胞計數增高，中性粒細胞增至80％以上，細胞核左移。胸部X線檢查是膿胸的主要診斷方法。遊離的胸腔積液首先沉積在胸腔的底部，一般在肺底與橫膈之間，使肺組織略向上浮起。小量積液時肋膈角變鈍，量在200ml左右，如果患者因某種原因不能在坐位或立位拍攝胸片時，要注意對比臥位胸片兩側的密度，積液的一側密度普遍增高，還可以採用患側在下的側臥水平投照，少量積液能顯示於患側胸腔外側壁，在肋骨內緣與肺外緣之間有一層均勻的增深陰影。
中等量積液時，X線顯示下胸部外高內低的弧形緻密積液影，陰影遮蓋整個膈面，積液量約500～1000ml。
大量積液時液體可達肺尖，肺組織受壓萎縮，患側透過度進一步減低，胸腔體積增大，肋間隙變寬，肋骨位置變平，縱隔向健側移位，橫膈下降，在左側由於胃泡內空氣的對比容易顯示，在右側由於肝臟與積液密度相近，故不易分辨。
積液合併肺不張時，縱隔、橫膈及胸廓的改變常不明顯，其外高內低的積液影像也隨肺不張的部位不同而有不同表現，多不典型。
合併膿氣胸或支氣管胸膜瘻時，可見到液氣面。
侷限性膿胸多見於胸腔的後壁及側壁，X線可見到區域性密度增高影，在其中央部分密度較深，周圍漸淺，在切線位上表現為貼於胸壁的局奶性的密度均勻的陰影，基底部較寬，內緣清晰，呈扁平狀或半圓形突向肺野，也可表現為葉間積液、肺底積液、縱隔積液等，常需與胸膜病變、肺部腫瘤、膈下膿腫、肝膿腫鑑別。常需與胸膜病變、肺部腫瘤、膈下膿腫、肝膿腫鑑別。
葉間積液是指位於葉間裂內的胸腔積液，必須在透視下多方向觀察才能在X線與葉間裂方向一致時顯示出膿胸陰影的邊緣，多數邊緣清晰、密度均勻，呈梭形，兩端累長，陰影長軸與葉間裂方向一致，積液多時也可呈圓球形。
肺底積液X線表現為橫膈頂最高點在後前位片上向外移位，在側位片上向後移位，或見機工膈影增厚。當發現有類似橫膈抬高的陰影時，要懷疑有肺底積液，採用臥位或患側臥水平投照，液體從膈上流開後，能顯示出真正的膈肌位置。
CT檢查
膿胸表現為與胸壁平行的弓形均勻緻密影，變動體位可以確定積液能否移動。大量積液進入肺裂，可將下肺向內向後壓迫移位。大量積液緊鄰肝右葉後緣，CT掃描顯示肝右葉後緣模糊，分不清界線。這是胸腔積液的特徵性改變，稱為“交介面徵”。
B超
在早期還沒有纖維素沉著形成胸膜肥厚時，液體內沒有沉渣，液性暗區清亮，其內沒有光點。當有大量積液時，肺組織受壓，肺內氣體被吸收，超聲可見到在大片液性暗區內有一個三角形的緻密影，且隨呼吸浮動。當探頭靠近橫膈時，可見到圓弧形光帶的膈影，後者與胸壁形成一楔形夾角，即肋膈角。
胸腔穿刺抽得膿液可最後確切診斷。膿液的外觀、性狀、顏色及氣味，對判斷致病菌的種類有一定幫助。細菌培養和藥物敏感試驗有助於選擇有效抗生素。
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