नैदानिक ​​जांच और प्रारंभिक परीक्षणों के आधार पर क्लाइनफेल्टर सिंड्रोम का संदेह होने पर, रोगी की बांह से लिए गए परिधीय रक्त के नमूने से किए गए गुणसूत्र विश्लेषण परीक्षण द्वारा निदान की पुष्टि की जाती है। इस परीक्षण में गुणसूत्र संरचना का निर्धारण करने के लिए रक्त कोशिकाओं की जांच शामिल है, और परिणाम प्राप्त करने में कुछ समय लग सकता है। जबकि क्लाइनफेल्टर सिंड्रोम वाले 80-90% व्यक्तियों में आमतौर पर 47,XXY गुणसूत्र संरचना पाई जाती है, शेष मामलों में दुर्लभ मोज़ेक प्रकार, वेरिएंट या संरचनात्मक X गुणसूत्र असामान्यताएं भी देखी जा सकती हैं।