Eine wichtige Ursache bei der Entstehung der Kniearthrose sind Fehlstelungen der Beinachse: X-Stellung oder O-Stellung der Kniegelenke. Daher ist eine Beurteilung der Beinachse und der Stellung der Gelenke ein wichtiger Schritt bei der Untersuchung der Arthrose im Kniegelenk. Diese Achsfehlstellung im Kniegelenk kann entweder angeboren sein, oder als Folge eines Unfalls auftreten. Daher wird bei Verdacht auf Kniearthrose eine äußerliche Untersuchung vorgenommen, bei der Gangbild, Beinachse, Deformitäten, Schwellungen in Kniegelenk und die Stabilität der Bänder des Kniegelenks genau untersucht werden.

Um bei Knieschmerzen andere Ursachen auszuschliessen kann zudem noch eine Laboruntersuchung durchgeführt werden. Dieses Labor kann rheumatische Erkrankungen oder bakterielle Infektionen nachweisen. Bei Verdacht auf eine bakterielle infektion kann auch eine Kniepunktion mit Flüssigkleitsentnahme den direkten Nachweis liefern, daß Schwellung und Knieschmerz nicht auf Arthrose im Kniegelenk zurückzuführen sind.

Wenn der Verdacht auf Kniearthrose erhärtet ist, kann eine Röntgenuntersuchung des Knies einen direkten Nachweis führen. Oft werden mehrere unterschiedliche Aufnahmen angefertigt - unter Belastung, auf mehreren Ebenen - um die Situation im Gelenk genau darstellen zu können. Ein typisches Zeichen für Kniearthrose ist eine deutliche Verschmälerung des sichtbaren Gelenkspaltes zwischen Oberschenkelknochen und Schienbein unter Belastung: Dieser schmale Spalt ist ein sichtbares Zeichen für den bei Kniearthrose typischen Abbau des Gelenkknorpels: der gesunde Knorpel führt im gesunden Knie eine im Röntgen deutlich sichtbare Trennung der beteiligten Knochen herbei.

Nur im Einzelfall kann auch eine Computertomographie oder Kenspintomographie bei der Untersuchung einer Kniearthrose sinnvoll sein.