הרופא ישאל על היסטוריה רפואית אישית ומשפחתית. כמו כן הוא יזמין בדיקות דם ויבצע אחת או יותר מן הבדיקות הבאות:

• בדיקה פיזית – הרופא בודק סימנים כלליים המעידים על בריאות הפציינט, מקשיב לנשימתו ובודק כמות נוזלים בריאה. הרופא ימשש לחיפוש אחר נפיחות בבלוטות הלימפה ובכבד.
• רנטגן חזה – צילומי חזה יכולים לגלות גידולים או הצטברות נוזלים בריאות.
• בדיקת CT – רופאים משתמשים לרוב בבדיקות CT כדי לצלם איברים פנימיים בחזה. התמונות יכולות להראות גידולים, הצטברות נוזלים ונפיחות בבלוטות הלימפה.

הדרך הבטוחה היחידה לגלות סרטן ריאות היא לבצע בדיקה פתולוגית של הרקמה. הפתולוג בוחן את הרקמה תחת מיקרוסקופ ומבצע פעולות נוספות. ישנן דרכים רבות כדי לאסוף דגימה מהריאות:

• ציטולוגיה של הריריות (sputum cytology) – דוגמא מוצאת מחולה תוך כדי שיעול (דגימת כיח) לחיפוש אחר תאים סרטניים.
• ט'וראצנטסיז (thoracentesis) – הרופא מחדיר מחט ושואב נוזל מהקרום של הריאות לחיפוש אחר תאים סרטניים.
• ברונכוסקופיה (bronchoscopy) – הרופא מכניס צינורית דקה ומאירה (הקרויה ברונכוסקופ) דרך האף או הפה לתוך הריאות. זה מאפשר בחינת הריאות והאוויר העובר בכלי הנשימה. הרופא יכול לאסוף דגימה בעזרת מחט, מברשת או כלים אחרים. הרופא יכול גם לשטוף את האזור במים ולאסוף תאים במים.
• שאיבה בעזרת מחט – הרופא משתמש במחט דקה להסרת רקמה או נוזל מהריאות או מבלוטות הלימפה. לעיתים משתמשים בסריקת CT תוך כדי ההליך הזה.
• ט'וראקוסקופיה (thoracoscopy) – המנתח מבצע מספר חתכים קטנים בחזה ובגב. אז המנתח מחדיר צינורית דקה ומאירה ומחפש אזורים לא נורמאליים בריאות. במידה ונמצאים כאלה אזורים, נלקחת ביופסיה.
• ט'וראקוטומי (thoracotomy) – המנתח פותח את החזה בעזרת חתך אחד ארוך ואז מבצע הסרה של בלוטות לימפה ורקמות אחרות.
• מדיאסטינוסקופיה (mediastinoscopy) – המנתח מבצע חתך בחלקה העליון של עצם החזה. אז המנתח מחדיר צינורית דקה ומאירה ומחפש אזורים לא נורמאליים בריאות. במידה ונמצאים כאלה אזורים, נלקחת ביופסיה.