Aan biomarkers die op NCSLL wijzen is mogelijk evenveel gewicht toe te kennen als aan de kernsymptomen. Die biomarkers bestaan onder andere uit: een lage striatale opname van dopaminetransporters op een SPECT-scan (single photon emission computed tomography) of PET-scan (positronemissietomografie), een afwijkende (verminderde opname) MIBG (myocardial scintigraphy), wat wijst op een verminderde cardiale sympathische innervatie, en polysomnografische aanwijzingen van een remslaap zonder atonie. De hiermee samenhangende aandoening remslaapgedragsstoornis kan vastgesteld worden door een formeel slaaponderzoek, of door de betrokkene of een informant te vragen naar relevante symptomen. De onderliggende neurodegeneratieve ziekte hangt primair samen met misvouwing en aggregatie van alfasynucleïne, wat middels een histopathologisch post-mortemonderzoek kan worden bevestigd. Om de cognitieve deficiënties goed in kaart te brengen is een neuropsychologisch onderzoek nodig dat verder gaat dan een korte screening. Beoordelingsschalen die zijn ontwikkeld om fluctuatie te meten, kunnen bruikbaar zijn.
Andere biomarkers die een classificatie NCSLL ondersteunen maar waarvan de diagnostische waarde beperkter is, zijn onder andere: het relatieve behoud ten opzichte van de ziekte van Alzheimer van de mediale temporale anatomie op een CT- of MRI-hersenscan; een gegeneraliseerd verminderde opname op een SPECT- of PET-perfusiescan met verminderde occipitale activiteit met of zonder cingulate island sign (waarbij het metabolisme in de posterieure cingulate cortex relatief gespaard blijft ten opzichte van de precuneus en cuneus op een fluorodeoxyglucose-PET-scan); en opvallende langzame-golvenactiviteit op het eeg met periodieke fluctuaties in het pre-alfa/thètabereik.
