Le diagnostic est souvent suspecté sur l'apparition, chez un sujet d'âgé de nombreuses ganglions palpables superficielles (adénopathies). Le plus souvent le diagnostic est suspecté devant une augmentation du nombre de lymphocytes à la numération formule sanguine supérieure à 4000 éléments/ml retrouvée à plusieurs reprises.
Dans environ un tiers des cas, il n'existe aucun signe clinique de la maladie. Celle ci-est souvent découverte au décours d'une prise de sang (comportant un hémogramme) demandé à titre systématique. La forme clinique la plus fréquente reste la découverte par le patient ou au décours d'un examen d'adénopathie superficielle ou d'une splénomégalie (rate augmentée de volume). Plus rarement, le diagnostic est porté au détours d'une complication infectieuse ou d'une manifestation auto-immune. La présence d'une fièvre, de sueurs nocturnes ou d'une altération de l'état général doit faire rechercher une infection sous-jacente, une transformation de la LLC en lymphome de haut grade (syndrome de Richter) ou un cancer touchant d'autres organes.
Une fois le diagnostic suspecté, le bilan diagnostic comprendra de façon systématique un hémogramme avec frottis sanguin, une étude immunophénotypique des lymphocytes sanguins en cytométrie de flux, un caryotype, une électrophorèse des protéines sériques complètée par une immuno-électrophorèse, plus sensible, un test de Coombs et une radiographie thoracique.
L'immunophénotypage des lymphocytes sanguins est l'examen central du diagnostic. il confirme la présence d'une prolifération monoclonale de lymphocytes B (CD19+ CD20+) coexprimant CD5+, marqueur habituel des lymphocytes T. Le caractère monoclonal est caractérisé par l'expression d'une seule chaîne légère κ ou λ.
L'hémogramme montrera de façon constante un nombre de lymphocytes supérieure à 4000/ml (lymphocytose). Cette lymphocytose est indispensable au diagnostic. Elle est variable et atteint parfois des valeurs très élevées (> 200.10⁹/l). L'anémie et la thrombopénie (baisse du nombre de plaquettes sanguines) ne sont pas systématiques et sont caractéristiques de formes plus graves. Les causes de l'anémie et de la thrombopénie sont plurifactorielles,auto-immunité,erythroblastopénie auto immune,splénomégalie,envahissement et inflammation.
Le frottis sanguin montre fréquemment des cellules altérées et des noyaux nus, appelés « ombre de Gümprecht ».
L'immuno-électrophorèse retrouve une hypogammaglobulinémie (dans 30 à 60% des LLC), une immunoglobulinémie monoclonale (dans 10% des cas de LLC), une auto-immunisation anti-érythrocytaire.
L'examen cytogénétique des cellules de la lignée lymphocytaire n'est pas indispensable au diagnostic mais semble avoir une valeur pronostique importante. Le caryotype retrouve des anomalies chromosomiques dans 50% à 80 % des cas. Les anomalies les plus fréquemment retrouvées sont les délétions des chromosomes 13 (délétion 13q) et les trisomies 12. Certaines anomalies sont de mauvais pronostic comme les délétions des chromosomes 11 et 17 (17q avec perte du gène suppresseur de tumeur p53, 11q23).
Depuis le développement de l'immunophénotypage, le myélogramme, nécessitant une ponction de la moelle osseuse, n'est plus indispensable au diagnostic. la biopsie ostéo-médullaire ou ganglionnaire peut être utile dans certains diagnostic difficiles ou lors d'une suspicion de transformation en lymphome de haut grade (syndrome de Richter)
Les principaux diagnostics différentiels de la leucémie lymphoïde chronique peuvent être les hyperlymphocytoses infectieuses, le lymphome non-Hodgkinien, le lymphome du manteau, la leucémie à prolymphocytes, la leucémie à tricholeucocytes, la maladie de Waldenström.
Dans certains cas, il existe un prolifération monoclonale de lymphocytes mais dont le nombre reste en deça du seuil duquel on pose le diagnostic de LLC. Cette entité, appelé lymphocytose monoclonale de type B pourrait être une forme pré-leucémique mais cela reste discuté.