X线检查是诊断齿状突骨折的主要依据和手段。当诊断有怀疑时，应反复拍片，加摄断层片或行CT检查，MRI检查可提供脊髓损伤的情况。在横切面上，齿状突和脊髓各占椎管矢状径的1/3，余1/3为缓冲间隙。成人寰椎前弓后缘与齿状突之间距离（AO间距）为2mm～3mm，儿童略大，为3mm～4mm，超出这一范围即应考虑有齿状突骨折和/或韧带结构断裂。开口位片上齿状突两侧不对称，亦应怀疑该部位的损伤。清晰的开口位片可以显示齿状突骨折及骨折类型。侧位片可显示骨折类型及前或后的移位和是否有寰枢椎脱位。另须注意有无合并颈枕部其他部位的畸形和骨折。
诊断需与寰椎横韧带断裂、横韧带撕脱及寰枢椎后脱位相鉴别。横韧带断裂时AO间距超过5mm，齿状突完整。横韧带撕脱时可见开口位片上的寰椎侧块间出现不规则骨块，CT横扫可明确诊断，显示寰椎侧块面的小缺损及游离骨块。寰枢椎后脱位在侧位X线片上显示前弓与齿状突位置颠倒，在齿状突前方或顶端有时可有小的骨折碎片存在。此外需注意有无合并枕颈部畸形。如寰椎枕化、颅底扁平等。
一个齿状突骨折的诊断应包括以下五点：（1）齿状突骨折的类型；（2）有无移位及方向；（3）有无神经损伤；（4）有无伴髓的邻近骨骼和软组织损伤；（5）有无合并全身其他部位损伤。