In der Bildgebung imponieren charakteristischerweise zahlreiche dilatierte zu- und abführende Gefäße, die sich in den betroffenen Gewebsschichten meist ohne Berücksichtigung klassischer anatomischer Grenzen ausbreiten. Eine eigentlich solide, umschriebene Gewebeläsion im Sinne einer Raumforderung wie bei vaskulären Tumoren lässt sich in der Bildgebung nicht nachweisen. Vielmehr ist gerade das Fehlen dieser umschriebenen Raumforderung charakteristisch für die arteriovenöse Malformation (AVM). Der Nidus stellt sich als eine schwer abgrenzbare lokale Vermehrung von multiplen, kleineren „knäuelartigen“ Gefäßen („bag of worms“) dar. Man kann zwar eine Ausbreitung in unterschiedliche Gewebeschichten (bspw. Muskel/Knochen) abgrenzen, eine für Tumoren charakteristische Verdrängung von Weichteilgewebe lässt sich allerdings nicht nachweisen.
Mittels Sonographie kann schnell und einfach der Fast-flow-Charakter der Läsion detektiert werden und so eine Abgrenzung zu den slow-flow-Malformationen erfolgen.
Darüber hinaus ist zur Sicherung von Diagnose, Lokalisation und Ausbreitung eine Schnittbildgebung mittels Computertomographie (CT) oder Magnetresonanztomographie (MRT) erforderlich. Hierbei spielt die CT mit Kontrastmittelapplikation eine eher untergeordnete Rolle: sie kann zwar gut eine knöcherne Beteiligung der arteriovenösen Malformation nachweisen, eine Ausbreitung in die Weichteile kann allerdings mittels MRT besser dargestellt werden, auch die Hämodynamik der Läsion kann durch die dynamische, kotrastmittelunterstützte MR-Angiographie besser dargestellt werden. In der MRT zeigen sich bereits in den nativen Sequenzen durch den schnellen Blutfluss, sog. Flow-voids.
Die dilatierten, den Nidus versorgenden Arterien („Feederarterien“) zeigen meist einen geschlängelten Verlauf. Je nach Angioarchitektur lassen sich einzelne dominante dilatierte oder aber mehrere eher netzartig erweiterte Venen abgrenzen. Das umliegende Gewebe kann ödematöse oder fibrös-fettige Veränderungen aufweisen. Involvierte knöcherne Strukturen können lytische Veränderungen oder Hyperplasie aufweisen.
Eine Katheterangiographie wird in den meisten Fällen erst im Rahmen einer minimalinvasiven Behandlung angefertigt. Hierbei imponieren die zuführenden Arterien, die den Nidus versorgen, oftmals vielfach gewunden, dilatiert und zum Teil aneurysmatisch erweitert.
Aufgrund der arteriovenösen Shuntverbindungen resultiert eine unmittelbare, frühe Kontrastierung der erweiterten Venen.
Entsprechend ihrer angiographischen Anatomie, insbesondere des venösen Abstroms, lassen sich die peripheren arteriovenösen Malformationen klassifizieren.
Eine flächenhafte Kontrastmittelanreicherung oder eine Kontrastmittelstase im Sinne eines „Poolings“ zeigt sich charakteristischerweise – im Gegensatz zur venösen Malformation – nicht. Ein sog. „blush“ im Sinne eines sehr feinfistulösen Nidus kann sich allenfalls in einem sehr frühen Stadium einer arteriovenösen Malformation, beispielsweise bei Kindern, ähnlich einem vaskulären Tumor darstellen.