Základ pro diagnostiku chlamydií je postaven na sérologické detekci protilátek na rodový antigen lipopolysachard (LPS) a druhově specifický protein. Mikroimunofluorescenční test (MIF) testuje druhově specifické protilátky u IgG, IgA, IgM odděleně. Jedná se o méně přesný způsob využívající elementárních tělísek k diagnostice infekce. Jeho velkou nevýhodou je časová náročnost a požadavky na zkušenosti obsluhy. Z tohoto důvodu je v České republice nejrozšířenějším testem enzymová imunoanalýza, čili ELISA. S jeho pomocí lze určit jak LPS, tak i druhové protilátky. Celkově však je nutné konstatovat, že jsou tyto testy málo citlivé a zejména u chronicky nemocných mohou být výsledky falešně negativní. Mnohem přesnější je test Western blot, avšak jeho vyšší citlivost, jenž dokáže odhalit i protilátky, které Elisa neobjevila je vykoupena vysokou cenou.
Pro detekci antigenů je nejčastěji využit imunofluorescenční test. Ten je postavený na reakci antigenu v infikované tkáně s fluoreskující látkou. Následně je pomocí mikroskopu či automatického přístroje vyhodnocena intenzita fluorescence cytoplazmy buněk. Vzorky se získávají biopsií, výtěrem, výplachem, stěrem z kůže a sliznic. U Chlamydia trachomatis se navíc může použít ranní moč či sperma. Nejspolehlivější metodou určení přítomnosti chlamydií je přímý průkaz jejich DNA. Tato metoda je však prozatím používána pouze pro vědecké účely.