在PVTT的诊断中，门静脉细小分支的癌栓仅能于术后病理发现，而大体PVTT可主要依靠影像学手段。在门脉癌栓中，癌肿侵犯血管壁，在受累血管壁内形成新生的肿瘤血管，部分癌栓内还有滋养动脉。若能发现栓子内有新生血管，则基本上可以确诊为癌栓。这是癌栓与血栓的重要鉴别特征。
超声检出PVTT有较高的敏感性和特异性，应为首选的影像学方法。它不仅能顺着门静脉及其分支走向清晰地显示门静脉管腔及血流情况，且能辨别其内有无异常组织的回声及其血供状态和性质，从而与肝硬化引起的门静脉内血栓鉴别。彩色多普勒血流成像若能检测出栓子内存在搏动性血流有助于鉴别诊断为癌栓。
CT特别是动态增强螺旋CT具有较高的分辨率，能够对PVTT作出准确的定位诊断。门静脉栓子在CT中多表现为门静脉管腔增粗，腔内低密度充盈缺损、强化；间接征象有门静脉管壁强化、侧支循环形成及门静脉海绵样改变。
MRI对门静脉癌栓也有一定的诊断价值，癌栓在T1WI像呈等信号或低信号，在T2WI像上为高信号，与肝癌肿块的信号极为相似，GdDTPA增强后信号强度无明显变化。MRI门静脉造影对PVTT具有很高的敏感性和特异性。
肝动脉血管造影（DSA）多经股动脉途径选择性插管至肝动脉和肠系膜上动脉行肝动脉造影和间接门静脉造影。肠系膜上动脉间接法门静脉造影时PVTT可表现为：（1）充盈缺损：可以是向心性的，也可以是偏心性或门静脉腔内的充盈缺损，向心性充盈缺损多为肿瘤侵蚀血管壁并沿门静脉壁浸润性生长所致；（2）门静脉完全中断：当门静脉完全被癌栓阻塞可表现为门静脉中断，呈杯口样截断，门静脉分支显影缺如；（3）门静脉增宽：即癌栓段门静脉管径增宽；（4）门静脉不显影；（5）不完全阻塞者，可见“线条征”。由于DSA是一种有创性的检查，目前已不作为PVTT的常规检查。一般在行肝动脉栓塞治疗时同时造影观察PVTT的表现。