El diagnóstico de botulismo puede ser difícil porque los síntomas son similares a los de otras enfermedades. El botulismo puede confundirse con el síndrome de Guillain-Barré, miastenia gravis, reacciones a medicamentos, infarto, infección del sistema nervioso, intoxicaciones por monóxido de carbono o atropina, o por marisco contaminado. La sepsis (síndrome de respuesta inflamatoria sistémica)  es el diagnóstico inicial más común del botulismo infantil. También puede ser sospechoso un retraso del desarrollo. Algunos informes han relacionado el botulismo infantil al 15.5% de los casos de síndrome de muerte súbita del lactante. Se utilizan pruebas de laboratorio para el diagnóstico definitivo, pero si el botulismo parece probable, el tratamiento se inicia de forma inmediata.

Mientras espera los resultados de laboratorio, el médicos le preguntará sobre los alimentos consumidos recientemente y su tipo de trabajo para descartar la posibilidad de otras enfermedades. Se realiza un examen físico con un énfasis en el sistema nervioso. Como parte de este examen se pueden pedir tomografías computarizadas, resonancias magnéticas o pruebas electromiográficas. Las pruebas de laboratorio incluyen examinar un alimento sospechoso y/o suero del paciente, heces u otras muestras para localizar rastros de la toxina botulínica o clostridios.

Con intervención médica, los pacientes se pueden recuperar por completo, aunque lentamente. La recuperación depende de la construcción de nuevas proteínas por las terminaciones nerviosas  para reemplazar las destruidas.