Les thymomes évoluent souvent sans symptômes notables et sont fréquemment découverts de manière fortuite lors d'examens diagnostiques réalisés pour d'autres affections. Sauf en cas d'agrandissement significatif, un thymome peut ne pas être visible sur une radiographie thoracique standard. Le diagnostic implique généralement l'identification de changements de taille ou de forme de la glande thymique lors d'examens d'imagerie tels que la tomodensitométrie (CT), l'imagerie par résonance magnétique (IRM) ou la TEP/TDM (souvent réalisée pour d'autres raisons), suivie d'une biopsie. Les échantillons de biopsie peuvent être obtenus par biopsie par aspiration à l'aiguille fine (BAAF), médiastinotomie ou chirurgie thoracique vidéo-assistée (VATS). En raison de la précision diagnostique relativement plus faible de la BAAF, la VATS est la méthode la plus couramment utilisée pour obtenir un diagnostic définitif.