Le diagnostic est clinique et repose sur les critères de l'ICHD-3 (The International Classification of Headache Disorder). Ces critères exigent la présence d'au moins 5 crises réunissant les critères B à D et ne correspondant pas mieux à un autre diagnostic de l’ICHD-3.

Généralement, c’est le médecin traitant qui oriente le patient vers un neurologue. Suivra ensuite un diagnostic différentiel afin d’exclure toute autre forme de migraines dont les formes peuvent être très similaires.
Bien que le diagnostic soit seulement basé sur la clinique et l’anamnèse du patient, il est recommandé de réaliser une imagerie cérébrale (IRM) devant toute première crise d'algie vasculaire de la face. En effet, il permet d'éliminer une forme secondaire c'est-à-dire la présence d'une lésion sous-jacente.