Діагностується метастатический рак мозку за допомогою МРТ – магнітно-резонансної томографії. Виявляється розмір, розташування і кількість вогнищ. Біопсія з іммуоно-гістохімічним дослідженням назначається, якщо не зрозуміло походження вторинних пухлин. Це означає, що матеріал пухлини береться на дослідження, щоб визначити, клітини якого виду туди потрапили (наприклад, перероджені клітини легень, молочної залози і т. д.), і виявляється, відповідно, ще й первинна пухлина.