诊断资料的主要来源是病史和胸部X线.病史中如有早期局部症状，会引起对肿瘤的怀疑；胸部X线检查可明确病变部位，并可显示其对周围组织结构的影响，但多个肿瘤中心的大规模研究并未证实胸部X线和痰标本检查有助于筛查肺癌。尽管上述方法偶可早期发现肺癌，但早期发现对病人生存率并无影响。

　　当疑有肺癌时，在胸部摄片后即要获取组织以从组织学上确诊。体温常无特异性，偶可发现转移性病变的体征（肿大的淋巴结或肝脏肿大）。其他肺外体检表现已在前文讨论过.X线表现取决于受累的部位。

　　在无症状的病人，胸部X线常可见一个外周性小结节性肿块.如肿块直径<5~6mm，则难以发现.以往的X线检查结果对了解新生物颇有价值。对较小的孤立结节，穿透性强的X线和体层摄片可显示钙化，钙化的数量必须超过一个斑点，才能诊断为良性肿瘤或慢性肉芽肿性病变并排除肺癌。CT可显示其他技术看不到的病变，并可根据有无淋巴结扩散的迹象有助于肿瘤的分期。偶尔需要胸部磁共振成像（MRI）检查，对显示肺尖Pancoast瘤有无胸壁及椎体侵犯最有帮助。

　　有症状的病人，胸部X线可显示支气管狭窄和不规则肺实质浸润，或肺不张。在阻塞区或在周围型肿瘤内部可能看到空洞形成。阻塞性肺气肿不常见。偶尔，X线可显示在不相邻的肺叶内有浸润或阻塞区，此种现象不能用单个肿瘤灶解释而是支气管树弥漫性粘膜下淋巴渗透的结果.胸膜渗液往往与浸润性或外周部肿瘤有关，胸液的细胞学检查或胸膜活检可提供诊断。极少数情况下，在尚未发现肺内病灶时，痰中即可找到肿瘤细胞。

　　胸部MRI用于肺癌诊断和疗效评估尚属实验性，MRI在肺癌术前，可提供肿瘤组织平面的确切定位。

　　支气管镜检可用来显示并活检支气管肿瘤，用硬质支气管镜，可视范围限于主支气管及其一级分支， 但肿瘤的范围通过隆突活检和随机活检可确定，而且可感觉到气管外肿块产生的阻力。用纤维支气管镜可暴露次级支气管，并可通过冲洗，刷检和活检采取肿瘤标本。许多外科医生在手术前行纵隔镜检查以了解纵隔和肺门淋巴结情况，确定诊断以及区分肿瘤能否手术。

　　不超过10%的病例需要剖胸探查以确定诊断及肿瘤能否切除。禁忌证包括远处或纵隔转移及心肺功能不全。当纵隔检查或胸骨旁纵隔切开术（大多已被斜角肌淋巴结活检替代）或胸膜，肝脏活检证明有转移灶时，则不必作剖胸探查。可摸到的淋巴结和转移性皮肤小结是重要的诊断资料。

　　肺癌的分期有助于判断预后及治疗方法的比较和选择。可通过临床表现对肺癌进行分期，但在采用各种手段了解局部及全身病情后，特别是在胸廓切开术后再对肺癌进行分期更为准确，CT可发现肝，脑和肾上腺转移。放射性核素扫描可提示因转移而造成的骨骼受累。传统的骨X线检查或MRI常用以证实异常骨扫描的发现。痰的细胞学检查或组织活检可直接确定肿瘤的存在及其是否转移。

　　TNM（肿瘤、淋巴结、转移）系统是非小细胞肺癌按病期分类的标准。小细胞肺癌一般在诊断明确时已转移。它分为局限性（局限于1侧胸腔，伴或不伴纵隔和同侧锁骨下淋巴结受累）或广泛性（扩散超过以上范围）。