Genetyk kliniczny posiada szeroki arsenał środków mogących posłużyć do identyfikacji nieprawidłowości materiału genetycznego. Musi on jednak zawsze przemyśleć strategię postępowania najodpowiedniejszą do danego przypadku klinicznego. Skomplikowanie nowoczesnych metod diagnostyki genetycznej jest jednak tak duże, że genetyk kliniczny na co dzień współpracuje zarówno z cytogenetykami, jak i biologami molekularnymi.

W większości chorób jednogenowych, jedyną strategią diagnostyczną jest stosowanie technik biologii molekularnej. Obecnie, w przypadkach genów sklonowanych (a więc o znanej sekwencji) rutynowym postępowaniem jest wyizolowanie DNA, a następnie amplifikacja wybranego do diagnostyki fragmentu przy pomocy reakcji PCR. Do izolacji DNA najczęściej pobiera się krew obwodową, ponieważ taki materiał gwarantuje odpowiednią ilość DNA (możliwość wykonania wielu różnych analiz), jak również doskonałą jakość materiału do badań.

Za optymalne postępowanie zmierzające do identyfikacji nieznanej mutacji uznawane jest wykorzystanie różnych technik biologii molekularnej, spośród których najczęściej wykonuje się  sekwencjonowanie fragmentów. W przypadkach poszukiwania znanych mutacji (np. najpopularniejszych w danej populacji mutacji powodujących daną chorobę) stosowane są często gotowe zestawy diagnostyczne, lub  stosunkowo często technika PCR-RFLP. Coraz częściej w praktyce laboratoryjnej stosowana jest technika mikromacierzy, która umożliwia analizę setek a nawet tysięcy (w zależności od rozdzielczości mikromacierzy) zmian w jednym badaniu. Technika ta stosowana jest w sytuacji gdy znana jest duża liczba  mutacji powodujących daną chorobę, a dodatkowo rozmiar genu uniemożliwia jego sekwencjonowanie.  W przypadkach genów, które nie zostały dotąd sklonowane, a jedynie zmapowane (czyli poznano ich lokalizację chromosomową) możliwe jest jedynie wykorzystanie technik pośrednich, polegających na tzw. analizie sprzężeń występowania choroby u członków kilkupokoleniowej rodziny z obecnością u nich polimorficznych markerów DNA, zlokalizowanych w sąsiedztwie genu powodującego chorobę.
Jak dotąd jednak, większość genów powodujących u człowieka choroby jednogenowe, nie zostało sklonowanych, ani zmapowanych. Stąd też, w większości przypadków chorób i zespołów jednogenowych diagnostyka molekularna nadal nie jest dostępna. Sytuacja ta jednak, z całą pewnością zmieni się gwałtownie w ciągu kilku najbliższych lat ze względu na intensywność prowadzonych badań.