Een gestructureerde anamnese is het belangrijkste instrument, de waarde van oogheelkundig onderzoek is beperkt. Start met de vraag of de patiënt werkelijk twee afzonderlijke beelden ziet of dat hij iets anders bedoelt, bijvoorbeeld onscherp of wazig zien, waardoor schaduwbeelden ontstaan. Ga vervolgens na of het dubbelzien sinds het ontstaan is veranderd en of de dubbelbeelden continu of intermitterend zijn. Verbetering (de dubbelbeelden komen dichter bij elkaar te staan) treedt op bij ischemie van een hersenzenuw, verergering bij compressie van een zenuw of orbitopathie bij de ziekte van Graves. Intermitterend dubbelzien wijst op een myogene oorzaak, evenals strabisme en oog(spier)operaties in het verleden.
Laat de patiënt, bij verdenking op fysiologisch dubbelzien, zijn wijsvingers voor zich houden, 30 cm achter elkaar. Wanneer hij naar de achterste vinger kijkt, zal hij de voorste dubbelzien en omgekeerd. Treden dubbelbeelden alleen in deze of vergelijkbare situaties op, dan is het dubbelzien fysiologisch.
Bepaal vervolgens of er sprake is van monoculair of binoculair dubbelzien. Laat de patiënt daarvoor afwisselend één oog afdekken. Monoculaire dubbelbeelden blijven bestaan bij afdekken van het niet-aangedane oog, binoculaire dubbelbeelden verdwijnen. Verricht, in geval van monoculair dubbelzien, een visustest om een refractieafwijking uit te sluiten. Vraag bij binoculair dubbelzien of de dubbelbeelden horizontaal, verticaal of gedraaid ten opzichte van elkaar staan en onderzoek of het dubbelzien toeneemt bij kijken in een bepaalde richting (oogvolgbewegingen). Niet naar mediaal of caudaal kunnen kijken wordt veroorzaakt door uitval van de nervus trochlearis (innerveert de musculus obliquus superior) en leidt tot gedraaide en verticale dubbelbeelden. Door een laesie van de nervus abducens (musculus rectus lateralis) is naar lateraal kijken niet mogelijk en ontstaat horizontaal dubbelzien. Dubbelbeelden in de overige blikrichtingen duiden op uitval van de nervus oculomotorius (musculus rectus superior, musculus rectus medialis, musculus rectus inferior en musculus obliquus inferior), kunnen horizontaal, verticaal en gedraaid zijn en gaan vaak gepaard met ptosis, pupilverwijding en vertraagde of opgeheven lichtreactie. Let ook op een compensatoire hoofdstand.
Verwijs bij monoculair dubbelzien door een refractieafwijking naar een opticien. Verwijs patiënten zonder refractieafwijking en kinderen jonger dan 10 jaar naar een oogarts. Verwijs bij binoculair dubbelzien met spoed naar een oogarts of neuroloog.