診斷資料的主要來源是病史和胸部X線.病史中如有早期局部癥狀，會引起對腫瘤的懷疑；胸部X線檢查可明確病變部位，并可顯示其對周圍組織結構的影響，但多個腫瘤中心的大規模研究并未證實胸部X線和痰標本檢查有助于篩查肺癌。盡管上述方法偶可早期發現肺癌，但早期發現對病人生存率并無影響。
當疑有肺癌時，在胸部攝片后即要獲取組織以從組織學上確診。體溫常無特異性，偶可發現轉移性病變的體征（腫大的淋巴結或肝臟腫大）。其他肺外體檢表現已在前文討論過.X線表現取決于受累的部位。
在無癥狀的病人，胸部X線常可見一個外周性小結節性腫塊.如腫塊直徑<5~6mm，則難以發現.以往的X線檢查結果對了解新生物頗有價值。對較小的孤立結節，穿透性強的X線和體層攝片可顯示鈣化，鈣化的數量必須超過一個斑點，才能診斷為良性腫瘤或慢性肉芽腫性病變并排除肺癌。CT可顯示其他技術看不到的病變，并可根據有無淋巴結擴散的跡象有助于腫瘤的分期。偶爾需要胸部磁共振成像（MRI）檢查，對顯示肺尖Pancoast瘤有無胸壁及椎體侵犯最有幫助。
有癥狀的病人，胸部X線可顯示支氣管狹窄和不規則肺實質浸潤，或肺不張。在阻塞區或在周圍型腫瘤內部可能看到空洞形成。阻塞性肺氣腫不常見。偶爾，X線可顯示在不相鄰的肺葉內有浸潤或阻塞區，此種現象不能用單個腫瘤灶解釋而是支氣管樹彌漫性粘膜下淋巴滲透的結果.胸膜滲液往往與浸潤性或外周部腫瘤有關，胸液的細胞學檢查或胸膜活檢可提供診斷。極少數情況下，在尚未發現肺內病灶時，痰中即可找到腫瘤細胞。
胸部MRI用于肺癌診斷和療效評估尚屬實驗性，MRI在肺癌術前，可提供腫瘤組織平面的確切定位。
支氣管鏡檢可用來顯示并活檢支氣管腫瘤，用硬質支氣管鏡，可視范圍限于主支氣管及其一級分支， 但腫瘤的范圍通過隆突活檢和隨機活檢可確定，而且可感覺到氣管外腫塊產生的阻力。用纖維支氣管鏡可暴露次級支氣管，并可通過沖洗，刷檢和活檢采取腫瘤標本。許多外科醫生在手術前行縱隔鏡檢查以了解縱隔和肺門淋巴結情況，確定診斷以及區分腫瘤能否手術。
不超過10%的病例需要剖胸探查以確定診斷及腫瘤能否切除。禁忌證包括遠處或縱隔轉移及心肺功能不全。當縱隔檢查或胸骨旁縱隔切開術（大多已被斜角肌淋巴結活檢替代）或胸膜，肝臟活檢證明有轉移灶時，則不必作剖胸探查。可摸到的淋巴結和轉移性皮膚小結是重要的診斷資料。
肺癌的分期有助于判斷預后及治療方法的比較和選擇。可通過臨床表現對肺癌進行分期，但在采用各種手段了解局部及全身病情后，特別是在胸廓切開術后再對肺癌進行分期更為準確，CT可發現肝，腦和腎上腺轉移。放射性核素掃描可提示因轉移而造成的骨骼受累。傳統的骨X線檢查或MRI常用以證實異常骨掃描的發現。痰的細胞學檢查或組織活檢可直接確定腫瘤的存在及其是否轉移。
TNM（腫瘤、淋巴結、轉移）系統是非小細胞肺癌按病期分類的標準。小細胞肺癌一般在診斷明確時已轉移。它分為局限性（局限于1側胸腔，伴或不伴縱隔和同側鎖骨下淋巴結受累）或廣泛性（擴散超過以上范圍）。