Jako pierwsze, tak jak w przypadku stawiania każdego rozpoznania, przeprowadzane jest badanie podmiotowe i przedmiotowe. Kluczowe w diagnozie nowotworu kości są badania obrazowe. Początkowo wykonywane jest RTG. Jeśli sugeruje ono guza kości, chorego kieruje się na rezonans magnetyczny (MR). Jest on badaniem z wyboru w stopniowaniu miejscowym zmiany. Pozwala na wizualizację zajęcia szpiku kostnego, stawów i stosunku do struktur otaczających.
Jeśli RTG sugeruje rozpoznanie pierwotnego guza kości, należy wykonać scyntygrafię kości w celu wykluczenia zmian przerzutowych i określenia rozległości guza. Dodatkowych informacji diagnostycznych może dostarczyć tomograf komputerowy (TK). Badanie wykazuje wewnątrzguzowe zwapnienia i skostnienia.
PET-TK jest przydatne w ocenie stopnia zaawansowania choroby przed rozpoczęciem leczenia i w jego trakcie, jeśli wyniki innych badań są niejednoznaczne. PET-TK stosowane jest także przy podejrzeniu obecności rozsianych ognisk chorobowych w układzie kostnym, np. przy bólu wywołanym przerzutami do kości. Ostateczne rozpoznanie daje biopsja – pobranie materiału do badań pod mikroskopem. Biopsję guza kości powinno się wykonać pod kontrolą badań obrazowych – np. USG w przypadku powierzchownych guzów kości.