男性不育症的诊断一般会从病史开始，以及由医生、医师助理（英语：physician assistant）或执业护士所进行的检查。多半会需要二份独立的精液分析。之后也会安排抽血检查来确认是否有激素不平衡、遗传或是其他疾病造成的问题。
病史
病史需包括先前睾丸及阴茎的伤害（例如睾丸扭转、隐睾、创伤）、感染（流行性腮腺炎、睾丸炎、附睾炎）、环境因素、睾丸过热、辐射、药物及其他物质使用（例如同化类固醇、酒、吸烟）等。
性行为的习惯、频率及性行为的时机点，是否使用润滑剂，其性伴侣之前是否曾经怀孕，也是重要的资讯。
若是丧失性冲动、头痛或视力受损也可能意味着有脑下垂体腺肿（英语：pituitary tumor）。
过往的病史或是手术史可以看出甲状腺或是肝脏疾病（和精子发生异常有关）、糖尿病神经病变（英语：diabetic neuropathy）（逆行射精）、根治性骨盆或腹膜后（英语：retroperitoneal）手术，或是疝气修复（英语：hernia repair）手术（输精管或是睾丸血管的受损）。
家族病史可以看出基因相关的问题。
身体检查
通常，受检者会脱掉身上衣物，换上长袍，会由医生、医师助理或是护理师进行检查，检查范围包括阴茎、阴囊、睾丸、输精管、精索、射精管、尿道、膀胱、肛门及直肠。睾丸测量计（英语：orchidometer）可以量测睾丸体积，而睾丸体积和一些精子及激素的特性有密切关系。身体检查可以检查出精索静脉曲张，不过目前还不确定若检测到精索静脉曲张，并且进行手术矫正，对男性的生育能力是否有帮助。
精液样本
精液样本取得
精液样本取得是精子分析的第一步。最理想的样本是在禁欲二至七天之后取得的的样本。最理想取得精液的方式是透过自慰，而且最好是在诊所取得精液。这可以避免精液在运送过程中受到的温度变化，这可能会杀死一些精子。
精子生成是会持续进行的，单一的精液样品不一定可以进行疾病的诊断，因此需要二个不同时间的样本，二次的间隔在七天到三个月之间都可以。
在采集到样本后，会直接置入杀菌的塑胶容器中，在一小时内进行分析。采集精液样本时，不会使用传统的保险套，因为其中的润滑剂或是杀精剂等化学物质会破坏样本。若是受试者的宗教信仰不允许避孕，可以使用有洞的保险套。若是截瘫（英语：Paraplegia）的情况下，可以使用机械工具或电波讯号来引发射精。
精液样本无法在进行性行为，最后体外排精时取得，原因如下：
·可能有部分的精液已射出，无法取得。
·可能会有细菌的污染。
·阴道的酸性可能让精子失去活动力。
精液样本取得时，很重要的是要标记受检者的资讯，采集日期，时间，禁欲时间，以及其他需要知道的资料。
精液分析
不育症的精液分析会包括精液样本的体积，大约的总精子数，精子活动力以及持续前进的情形，正常形态精子的比例。这也是男性不育症检查中最常见的部分。 以下是一些常见的精液或精子异常：
无精子症：精液中不存在精子；
无精液症：男性性行动不以射出精液为终结；
少精子症（英语：Oligospermia）：精液中的精子计数值（密度）过低；
少精液症：一次射精所产生的精液量过少；
精液过剩症：一次射精所产生的精液量过多；
弱精症：活动能力低下，甚至完全不活动的精子所占比例过高；
精子畸形症（英语：Teratospermia）：精子的头部、身部及（或）尾部的形态及（或）结构上出现畸形的比例过高。
血液样本
常见的激素检查包括检查促卵泡激素及睾酮的浓度。血液样本也可以看出遗传相关的不育原因，例如克氏综合征、Y染色体缺失症（英语：Y chromosome microdeletion），或囊肿性纤维化。
超声
若怀疑男性生殖器某部位可能有疾病，可以用阴囊超声（英语：Scrotal ultrasonograph）确认。阴囊超声可以检测到睾丸发育不全（英语：testicular dysgenesis）的体征，而这和精子发生受损有关，其发生睾丸癌的风险也比较高。阴囊超声也可以检查到疑似恶性肿瘤的睾丸病变。睾丸血管化减少是睾丸扭转的特征。而充血可能是附睾炎，也可能是其他恶性病变，例如淋巴瘤及白血病。若是精索静脉曲张时，而触诊不可靠，或是在手术后检测复发或持续时间时，可以用都普勒检查评估是否有静脉曲张，不过目前还不确定检测并治疗精索静脉曲张对改善不育是否有帮助。
附睾头部或是尾部的扩张表示男性生殖道的堵塞或是发炎。这些异常，以及附睾纹理的异常，也和精子参数的异常有关。阴囊超音波及经直肠超声（英语：transrectal ultrasonography）（TRUS）可以检查单侧或是双侧的先天性输精管缺如（英语：congenital absence of the vas deferens）（CBAVD），可能和附睾、精囊或是肾脏的异常或发育不全（英语：agenesis）有关，也意味着需要睾丸精子提取（英语：testicular sperm extraction）。在评估因为堵塞造成的无精子症时，经直肠超声是很重要的工具，可以检测远端的先天性输精管缺如，或是检测和射精管阻塞（英语：obstruction of the ejaculatory duct）有关的异常，例如射精管本身的异常，摄护腺的中位囊肿（表明需要囊肿吸出），或是精囊肿大之类的损伤。
