Thymome entwickeln sich oft ohne spürbare Symptome und werden häufig zufällig während diagnostischer Untersuchungen für andere Erkrankungen entdeckt. Sofern nicht erheblich vergrößert, ist ein Thymom möglicherweise nicht auf einem standardmäßigen Röntgenbild des Brustkorbs sichtbar. Die Diagnose beinhaltet typischerweise die Feststellung von Größen- oder Formänderungen der Thymusdrüse in bildgebenden Verfahren wie CT, MRT oder PET/CT (oft aus anderen Gründen durchgeführt), gefolgt von einer Biopsie. Biopsieproben können durch Feinnadelaspirationsbiopsie (FNAB), Mediastinotomie oder videoassistierte thorakoskopische Chirurgie (VATS) entnommen werden. Aufgrund der relativ geringeren diagnostischen Genauigkeit der FNAB ist VATS die am häufigsten angewendete Methode zur Erlangung einer definitiven Diagnose.