癌症干细胞通常是通过细胞表面的标记物进行识别，并利用荧光共轭的抗体进行染色（现下设计出了靶向不同标记物的不同颜色荧光试剂），这样流式细胞仪就能从悬浮液中检测到这些荧光细胞。虽然目前许多染色指南采用的是单克隆抗体，但是一些小心的研究人员还会加上一个封闭步骤，用以阻止抗体识别出假阳性。
Weissma教授建议道，仅仅采用一种标记物分离AML干细胞并不够，这个由正常造血干细胞分化成AML癌细胞的过程我们了解的比较多了，因此应该进行zui具特异性的标记进行分离。Weissma教授建议从AML干细胞群中要分离出CD34+，CD38-，CD90+，和Lin-细胞群。
对于实体肿瘤，专家则指出研究人员需要先对目标癌症的干细胞文献非常了解熟悉，虽然研究已经发现Lgr5 能标记结肠癌肿瘤干细胞，但细胞表面的Lgr5 表达一般较低，其它的标记，如EpCAM、CD44和CD166也已由多项实验证实，可以用于癌症干细胞分离（PNAS, 104:10158-63, 2007; J Clin Pathol, 65:140-45, 2012; Oncol Lett, 7:1544-48, 2014）。
来自斯坦福大学的Michael Clarke是首位从实体肿瘤中分离出癌症干细胞的科学家，他警告说虽然细胞表面的标记物可富集，但是这些标记物并不能确保分选出来的细胞就会发展成一个完整肿瘤——验证癌症干细胞的关键一步。由于实体肿瘤的癌症干细胞标记差异很大，因此研究人员需要通过移植实验对单个肿瘤的所有细胞类型进行检测。