Die Diagnose des Ewing-Sarkoms erfordert einen multidisziplinären Ansatz. Röntgenaufnahmen können ein charakteristisches „Zwiebelschalenmuster“ aufweisen. Eine unscharfe Grenze zwischen Tumor und gesundem Knochen ist ein häufiges radiologisches Merkmal bei malignen Tumoren. Die Magnetresonanztomographie (MRT) spielt eine entscheidende Rolle bei der Diagnose. Wenn die Ergebnisse von Röntgenaufnahmen und MRT für eine definitive Diagnose nicht ausreichen, kann eine Computertomographie (CT) in Betracht gezogen werden. Die Knochenszintigraphie kann ebenfalls zusätzliche Informationen liefern. Laboruntersuchungen können Anämie und Leukozytose (eine Erhöhung der weißen Blutkörperchen im Blut) zeigen. Die definitive Diagnose des Ewing-Sarkoms wird jedoch durch eine Biopsie gestellt. Je nach Lage des Tumors wird im Allgemeinen eine geschlossene (Nadel-)Biopsie bevorzugt; in seltenen Fällen kann eine offene Biopsie erforderlich sein.