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肺癌诊断可能始于胸部X射线检查，但由于这种检查可能漏诊早期癌症，如果发现结节或肿块，需要胸部CT扫描，还有最后的组织活检。
咳嗽或胸痛时检查胸部x光，在发现异常斑点后通常怀疑为肺癌。在这段令人恐惧的时间，了解查明异常是良性肿瘤还是恶性肿瘤的一些建议检查会有帮助。如果这是恶性肿瘤，还要进行进一步检查，看看肿瘤有没有播散到其他部位，并确定癌症分期。
肺癌筛查
目前，还没出现症状的患者可以进行肺癌筛查，以早期发现肺癌，适用人群年龄介乎55岁到80岁，曾至少吸烟30包-年，过去15年吸烟或戒烟。但重点是筛查是为还没出现症状的患者发现癌症。如果有任何疑似肺癌症状，患者将需要进一步检查，包括完全CT扫描。
肺的“点”和其他说明
在被诊断为肺癌之前，您可能会对自己的症状感到不知所措，任何异常医生都可以在x光或CT扫描上看到。肺结节被认为是肺上直径3cm(一英寸半)或小于3cm的“点”。肺肿块是指直径大于3cm的异常。肺上的斑点或“肺病变”可能是良性或恶性的。x光片上的“阴影”也可能是良性或恶性的，或者只是胸部正常结构的重叠。
病史和体检
当怀疑是肺癌时，医生将先了解详尽的病史，并进行全面体检，目的是评估肺癌的症状和风险因素，并寻找任何表明肺癌存在的体征，包括异常肺音、淋巴结肿大、不明原因体重减轻或杵状指。
实验室检验和影像科检查
诊断可能需要一系列不同的影像科检查，取决于具体症状和体检结果。
胸部X射线检查
胸部X射线检查通常是第一个检查，研究病史和体检所发现的问题。结果可能显示肺肿块或淋巴结肿大。有时，结果正常，还需进一步检查，寻找怀疑肺癌。即使肿块找到了，这不一定是癌性的，还需进一步检查。重点是单凭胸部X射线检查不足以排除肺癌，做这种检查，早期肺癌很容易漏诊。
CT扫描
CT扫描通常是第二步，继续研究胸部X射线检查异常结果或令人困扰的症状（胸部X射线检查结果正常）。CT扫描使用一系列X射线成像，生成肺的三维图。如果CT扫描结果异常，还需要肺活检才能确诊肺癌。
MRI扫描
MRI扫描是看看肺癌是否存在的检查，适用于一些患者。检查使用磁力，没有辐射。身体有金属置入物（例如起搏器）的患者不应进行这检查。技术人员会询问患者这些事项，确保检查安全。
PET扫描
PET扫描使用放射性物质生成身体部位的彩色三维图。这种扫描和其他检查不同，能显示生长旺盛的肿瘤。少量放射性糖被注入血流，等一段时间，待细胞吸收。生长旺盛的细胞会吸收更多的糖，在胶片上发亮。PET扫描通常会联合CT扫描。作为其他检查的附加检查，有些研究人员指出PET扫描可以早期发现肿瘤，早在其他检查显示肿瘤的生理结构之前。PET扫描也有助区分肿瘤和瘢痕组织。
痰细胞学检查
影像科检查发现疑似肺癌之后，为了确诊和明确癌症类型，需取得组织样本。痰细胞学检查是最简单的方法，但这只适用于长到气道的肿瘤。这并非一定准确，有可能漏诊。当结果阳性，这是最有效的，但若是阴性，则没太大帮助。
支气管镜检查
检查期间，肺癌专家把管子插进气道，以可视化，并取得肿瘤样本。当在大气道发现肿瘤，管子伸进去后可触及，可以进行这种检查。患者要接收麻醉，把不适感减到最少。检查期间，可对气道能见肿瘤或另一些异常进行组织活检。
支气管内超声
支气道内超声是相对较新的肺癌诊断技术。支气管镜检查期间，医生在气道内使用超声波探头，检查肺和纵隔。检查期间，离气道相对较近的肿瘤可顺便进行组织活检。
穿刺活检
细针穿刺活检期间，医生会把空针刺进胸壁，通常受CT可视化引导，以取得肿瘤样本。支气管镜检查难以触及的肿瘤可进行这种检查，尤其位于肺外周的肿瘤。
胸腔穿刺术
当肺癌累及肺外周，有可能出现胸膜腔积液。患者接受局部麻醉后，把比较大的针头插进胸膜腔，抽取一些液体加以诊断（少量，用以肿瘤细胞检查，恶性胸膜积液）或加以治疗（大量，改善疼痛及/或气促）。
纵隔镜检查
纵隔镜检查在全身麻醉的情况下在手术室进行。纵隔镜被插进体内，高出胸骨一点点的地方，进入纵隔，从淋巴结取得组织样本。PET扫描现在能取代既往的纵隔镜检查。
明确癌症是否播散的检查
最常见的肺癌转移部位为肝、肾上腺、脑和骨。常见的检查包括：
1.腹部CT扫描：用于检查肝转移或肾上腺转移。
2.脑MRI扫描：用于检查脑转移。
3.骨扫描：用于检查骨转移，尤其背部、臀部和肋骨。
4.PET扫描：能寻找任何部位的转移灶，有时能取代其他检查，例如骨扫描或CT扫描。
诊断期间的另一些检查
肺癌诊断期间，还常进行其他非诊断性检查，包括：
1.肺功能检查：检查肺活量，能确定肿瘤干扰呼吸的程度，有时能确定手术是否安全。
2.验血：有的能发现肺癌导致的生物化学异常，也能显示肿瘤转移证据。
肺活检
如果影像科检查发现疑似肺癌，下一步是肺活检，搞清楚异常发现到底是不是癌症，并明确肺癌类型。
大多数组织活检是靠组织取样，但新型液体活检令人兴奋。2016年6月获批，液体活检只要验血就能进行，目前，仅获批用于EGFR突变检测。由此可见，肺癌诊治每年都在改善。
当肺癌播散，在同一个部位重新活检很重要，因为癌症随时间改变。这些变化反过来能有助患者和医生制定治疗方案。
分子学检测/基因检测
目前，建议非小细胞肺癌患者，尤其肺腺癌患者，进行分子学检测，这种基因检测会寻找作为靶向治疗靶点的肿瘤细胞基因突变。
这些基因突变是细胞癌化过程中出现的，对肿瘤生长起驱动作用，不会传给下一代。
目前，靶向治疗获批用于携带EGFR突变、ALK重排、ROS1重排和另一些突变的患者。另外，临床试验也正在研究另一些治疗方法。
PD-L1检测
自从第一种免疫治疗药物2015年获批用于肺癌治疗，又多了3种药物。有种PD-L1表达程度的检测。一些肺肿瘤细胞的PD-L1表达更高。这种蛋白质的作用是抑制免疫系统，削弱它的抗癌能力。有些肿瘤细胞懂得过度表达PD-L1，从而躲过免疫系统的攻击。免疫检查点抑制剂能阻断这动作，让免疫系统积极抗癌。
目前尚不清楚PD-L1检测对肺癌治疗有多重要。PD-L1过度表达的肺癌和没有过度表达的肺癌可能都对药物产生应答。目前，有人认为这种检测有成本效益，但只有PD-L1过度表达的肺癌患者才能服药，可能导致本能获益的患者得不到治疗。
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