Después de proporcionar el historial detallado de la salud del gato, síntomas y posibles incidentes, el veterinario realizará un examen físico completo junto a pruebas estándar de laboratorio: conteo sanguíneo, perfil sanguíneo y análisis de orina. Estas pruebas de laboratorio servirán exclusivamente para determinar otras enfermedades o infecciones presentes.
La radiografía es útil para evaluar lesiones en cerebro, médula espinal y oído. La tomografía computarizada, la resonancia magnética y la ecografía también son herramientas importantes empleadas en el diagnóstico del síndrome. En algunos casos será necesario tomar una muestra de líquido cefalorraquídeo para su análisis.
Para confirmar el síndrome de Horner habría que poner en los ojos 1 gota de solución de cocaína al 5-10%. Esta gota normalmente provocará dilatación de la pupila salvo si el gato sufre el síndrome de Horner.