W badaniu histopatologicznym stwierdza się częściowy zanik kosmków jelitowych oraz komórki zapalne naciekające blaszkę właściwą błony śluzowej.
Potwierdzenie biegunki tłuszczowej można uzyskać barwiąc kał roztworem sudanu, co pozwala uwidocznić kropelki tłuszczu pod mikroskopem. W celu określenia wchłaniania witaminy B12 można wykonać test Schillinga.
Bardzo istotnym badaniem jest wykonanie posiewu treści jelitowej. Materiał do posiewu pobiera się w trakcie badania endoskopowego lub specjalną sondą zakładaną przez nos i umieszcza na odpowiednich podłożach. Po upływie czasu potrzebnego do wykonania posiewu stwierdzenie ilości bakterii beztlenowych lub Escherichia coli powyżej 105 CFU bakteryjnych w 1 ml pożywki upoważnia do rozpoznania zespołu rozrostu bakteryjnego.
Najczęściej hodowane w posiewach bakterie stwierdzane u pacjentów z rozrostem bakteryjnym w jelicie cienkim to: Lactobacillus, Streptococcus, Escherichia coli, Staphylococcus, Bacteroides, Clostridium i Veillonella.
W diagnostyce wykorzystuje się również testy oddechowe, dzięki którym mierzy się w wydychanym przez pacjenta powietrzu wydalanie dwutlenku węgla lub wodoru produkowanego przez bakterie znajdujące się świetle jelita w czasie przemian metabolicznych zachodzących w ich komórkach.