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.

Tableau des critères B à D nécessaire au diagnostic selon l'ICHD-3. Source : Collège des Enseignants de Neurologie
Par contre, bien que le diagnostic soit clinique, 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.