Általában ha felmerül a tüdőrák gyanúja, mellkas röntgen készül, a talált eltérések már utalhatnak tüdőrákra, de negatív mellkas röntgen mellett is fennállhat rosszindulatú daganatos megbetegedés. A fennálló tüdőrák gyanú esetében mindenképpen mellkasi CT vizsgálatot kell végezni. A mellkasi CT vizsgálat felbontóképessége, illetőleg a tüdő állományának pontos feltérképezése alapján fontos vizsgálat a tüdőrák diagnózisának megállapításában. Amennyiben tehát a mellkasi CT vizsgálat tüdőrák gyanút jelez, a jelzett elváltozásból mintavételre van szükség. Ez általában hörgőtükrözéses vizsgálattal kezdődik és amennyiben a hörgőkben daganatgyanús eltérés mutatkozik, erről a területről speciális eszközzel történik a mintavétel. Amennyiben a tüdődaganat elhelyezkedése nem teszi lehetővé a hörgőtükrözéssel való mintavételt, gyakran kerül alkalmazásra a mellkasfalon keresztül végzett CT vezérelt biopszia. Kijelenthető, hogy a tüdőrák egzakt (pontos) diagnózisa egyenlő annak patológiai (szövettani) igazolásával.
Amennyiben meg van a patológiai diagnózis, szükségesek olyan vizsgálatok is, melyek a tüdődaganat lokális (helyi) kiterjedése mellett vizsgálják, hogy esetlegesen távoli áttétek fennállnak-e vagy nem. Ezért a kivizsgálás során elengedhetetlen a koponya CT vagy MRI, illetőleg hasi ultrahang. A pontos úgynevezett staging (stádium, állapot) vizsgálathoz szükséges a teljes test PET/CT, amely pontosan képes feltérképezni a szervezetet a távoli daganat terjedés irányában.
Előfordulhat, hogy bár a képalkotó vizsgálatokkal a tüdőrák alapos gyanúja fennáll és sem hörgőtükrözéssel, sem CT vezérelt vizsgálattal nem jutunk diagnózishoz, illetőleg a daganat elhelyezkedése is indokolja, sebészeti mintavétel is szükséges lehet. Például a szív és a tüdő között lévő daganatgyanús, úgynevezett mediasztinális nyirokcsomók (a két tüdő közötti gátor üregben elhelyezkedő nyirokcsomók) esetén mediastinoscopia (tükrözéses vizsgálat) lehet indokolt, de vannak esetek amikor bár a képalkotókkal igazolt daganat kiterjedés, illetőleg esetleges áttétek fennállása a tüdőrák teljes eltávolítását nem teszik lehetővé diagnosztikus célból mellkassebészeti műtét válhat indokolttá.
Mint ahogy korábban már említettük a tüdőrák diagnózisa egyenlő annak patológiai (szövettani) igazolásával. A tüdőrákot két nagy csoportra osztjuk, az egyik a kissejtes tüdőrák, a másik a nem kissejtes tüdőrák. A kissejtes tüdőrák előfordulási aránya 15% összevetve a nem kissejtes tüdőrák elfordulási arányával. A kissejtes tüdőrák agresszív megbetegedés, a daganatsejtek igen gyorsan szaporodnak, ezért korai stádiumban csak nagyon ritkán kerül felfedezésre. A nem kissejtes tüdőráknak két fő alcsoportját ismerjük, a mintegy 50%-ában előforduló mirigyhám karcinómát, illetőleg a 25%-ban előforduló laphámsejtes karcinómát. A nem kissejtes tüdőrák vonatkozásában már esély van a korai felfedezésre és esély van arra, hogy a betegeket megoperáltassuk. A hazai adatok körülbelül 20%-os reszekabilitási rátát (operálhatósági arány) mutatnak.