En un análisis de sangre, el recuento de leucocitos está muy elevado, pudiendo exceder los 100.000 leucocitos por microlitro de sangre 

En el estudio al microscopio de las células de la sangre periférica se ven células en todas las fases de maduración de la serie mieloide.

Esto es característico de la fase crónica. La basofilia (aumento del número de basófilos) y la eosinofilia (aumento del número de eosinófilos). La presencia de marcada basofilia y eosinofilia suele indicar progresión de la enfermedad a fese acelerada junto con el aumento de células mieloides inmaduras o mieloblastos(< 5%)

En la fase blástica en número de blastos es muy superior(>20%).

También es frecuente encontrar un número elevado de plaquetas (se llama trombocitosis), generalmente por encima de 600.000 por microlitro de sangre.

La presencia de anemia, normocítica y normocrómica leve no es frecuente.

Es necesario realizar un estudio de la médula ósea; en la fase crónica la médula ósea es hipercelular con células de la estirpe mieloide en todos los estadios de la maduración. Los mieloblastos están en un número inferior al 15%. Se ve aumento de megacariocitos.

El estudio citogenético consiste en estudiar los genes de las células hematopoyéticas para detectar la presencia de anomalías y la característica presencia del llamado Cromosoma Philadelphia (cromosoma Ph).

La mayoría de los pacientes tiene la característica translocación 9;22.y sólo se presenta en células hematopoyéticas siendo por tanto una alteración adquirida. El cromosoma Philadelphia se llama así porque se descubrio en la década de los 60 por un grupo de trabajadores de Filadelfia. Se distingue por ser la 1ª alteración genética asociada a un cáncer humano.

Su correlación molecular es la proteina de fusión BCR-ABL con localización en los pares de bases 210 y 190 (menos frecuente) de este gen, para detectarla se utiliza la técnica llamada FISH o de PCR; este último método es de gran interés para controlar la respuesta al tratamiento. Típicamente el 90% de los pacientes tienen células BRC-ABL positivas.