Химико-токсикологическую диагностику осуществляют измерением уровня таллия в моче за 24 ч (яд медленно выводится). Считают, что выведение за сутки 5-10 мг соответствует тяжелой интоксикации. Выделение таллия с мочой может продолжаться в течение 3-5 месяцев после отравления.

Диагностические уровни в слюне не верифицированы. Измерение таллия в волосах и ногтях проводят при судебно-химическом исследовании, наиболее четкие результаты дает метод атомно-адсорбционной спектрофотометрии; пигментацию волос оценивают под микроскопом.

Патоморфологически - воспаление слизистой оболочки кишечника, экхимозы и отек в миокарде, атрофические изменения в паренхиматозных органах, дегенерация двигательных и чувствительных периферических нервных волокон.

В головном мозге отек, множественные кровоизлияния, хроматолиз нейронов моторной зоны коры. В легких - метаплазия эпителия бронхов, в миокарде - межуточный продуктивный миокардит. В выпавших волосах гистологически обнаруживается веретенообразное вздутие корневой части с обильным отложением в ней черного пигмента.