影像學（X-線，CT）發現肺部有包塊或佔位並不表示一定患有肺癌，必須有病理診斷（也叫細胞學診斷）才能100％確診為肺癌。獲得病理診斷的方法有如下9種：
1.纖維支氣管鏡檢查：纖維支氣管鏡檢查技術是診斷肺癌最常用的方法，包括纖支鏡直視下刷檢、活檢以及支氣管灌洗獲取細胞學和組織學診斷。
2.經纖維支氣管鏡引導透壁穿刺縱隔淋巴結活檢術（TBNA）和纖維超聲支氣管鏡引導透壁淋巴結穿刺活檢術（EBUS-TBNA）：經纖維支氣管鏡引導透壁淋巴結穿刺活檢有助於治療前肺癌TNM 分期的精確N2 分期。但不作為常規推薦的檢查方法，有條件的醫院應當積極開展。經纖維超聲支氣管鏡引導透壁淋巴結穿刺活檢術（EBUS-TBNA）更能就肺癌N1 和N2 的精確病理診斷提供安全可靠的支援。
3.縱隔鏡檢查：作為確診肺癌和評估N 分期的有效方法，是目前臨床評價肺癌縱隔淋巴結狀態的金標準。儘管CT、MRI 以及近年應用於臨床的PET-CT 能夠對肺癌治療前的N 分期提供極有價值的證據，但仍然不能取代縱隔鏡的診斷價值。
4.胸腔鏡檢查：胸腔鏡可以準確地進行肺癌診斷和分期，對於經纖維支氣管鏡和經胸壁肺腫物穿刺針吸活檢術（TTNA）等檢查方法無法取得病理標本的早期肺癌，尤其是肺部微小結節病變行胸腔鏡下病灶切除，即可以明確診斷。
對於中晚期肺癌，胸腔鏡下可以行淋巴結、胸膜和心包的活檢，胸水及心包積液的細胞學檢查，為制定全面治療方案提供可靠依據。
5.痰細胞學檢查：痰細胞學檢查是目前診斷肺癌簡單方便的無創傷性診斷方法之一，連續三天留取清晨深咳後的痰液進行痰細胞學塗片檢查可以獲得細胞學的診斷。
6.經胸壁肺內腫物穿刺針吸活檢術（TTNA）：TTNA 可以在CT 或B 超引導下進行，在診斷周圍型肺癌的敏感度和特異性上均較高。
7.胸腔穿刺術：當胸水原因不清時，可以進行胸腔穿刺，以進一步獲得細胞學診斷，並可以明確肺癌的分期。
8.胸膜活檢術：當胸水穿刺未發現細胞學陽性結果時，胸膜活檢可以提高陽性檢出率。
9.淺表淋巴結活檢術：對於肺部佔位病變或已明確診斷為肺癌的患者，如果伴有淺表淋巴結腫大，應當常規進行淺表淋巴結活檢，以獲得病理學診斷，進一步判斷肺癌的分期，指導臨床治療。
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