放射学检查。放射学检查是诊断肺癌最常见、最基本的手段。包括胸部透视、X线胸片、螺旋CT扫描等多种方法。通过放射学检查可以了解肺部肿瘤的部位和大小。普通X线胸片可以显示肿瘤的密度、边界、胸膜改变、中心液化等特征，一般将X线平片作为初步检查手段，进一步检查再做胸部CT扫描，再了解病变的位置、与周围脏器的关系。胸膜小结节或少量胸腔积液、节段性肺不张、纵隔各组淋巴结肿大、肺部微小转移灶等方面，胸部CT扫描优于普通X胸片。
痰细胞学检查。多数原发性肺癌患者在痰液中可找到脱落的癌细胞，并可判定癌细胞的组织学类型。因此痰细胞学检查时肺癌普查和诊断的一种简便有效的方法。但阳性检出率只有50%~80%，且存在一定假阳性几率。此方法适合于在高危人群中进行确诊。为了提高检出率，从咳痰起始就要重视，要从肺的“深”部咳出真正痰液，而不仅仅是唾液口水；其次要在痰液新鲜时就挑样涂片固定，然后染色读片。目前薄层液基细胞学技术能一定程度上提高痰液细胞学检查的阳性率。
支气管镜检查。支气管镜检查的阳性检出率达60%~80%，通过支气管镜可直接观察支气管内膜及管腔的病理变化情况。发现肿瘤或癌性浸润时，可钳取部分异常组织供病理切片检查，或吸取支气管分泌物做细胞学检查，以明确诊断和判定组织学类型。
经皮肺穿刺。适用于外周型病变且其他方法又未能明确组织学诊断的患者，目前常用细针在CT引导下穿刺，此操作较安全，并发症较少。获得病理学诊断的概率在恶性肿瘤中为70%~90%，良性肿瘤则较低。常见并发症有气胸、少量咯血、发热等。
纵隔镜检查。主要用于判断中心型肺癌纵隔淋巴结转移范围。经胸骨切迹上缘做短切口，沿中线切开颈部带状肌和气管前筋膜，然后分离气管前筋膜，到达气管隆嵴区，能观察到气管旁、气管支气管角及隆突下等部位的肿大淋巴结，通过穿刺吸引或切取淋巴结活检供病理切片检查。
正电子发射计算机体层扫描（PET）。应用PET可以更好地判定肺部病变的良恶性以及发现意料不到的胸腔外转移病灶。胸外转移病例中无假阳性率，但是在纵隔内肉芽肿病变或其他炎性淋巴结病变时，PET检查可以出现假阳性。这些病变需要经过细胞学或活检进一步证实。
另外，还有骨显像或发射型计算机体层扫描用于骨转移病灶的发现和判断。对以转移病灶为首发的患者，及时的组织学活检能够判断转移病灶的来源，对确诊肿瘤部位有一定帮助。
所有的检查手段既有其优势，又各有不足，肺癌的诊断不能单纯依靠某项检查手段，要结合病史、临床症状、血液检查和各种检查来综合判断，才能尽早发现肿瘤，做出最优化的治疗方案。