A gyanút keltő tünetek, tünetcsoportok okát gyakran bonyolult vizsgálatokkal kell igazolni a szakembereknek. A kivizsgálás állandó összetevői: a betegre és családjára vonatkozó kórelőzményi adatok felvétele, a beteg dohányzási szokásáról való kikérdezése, foglalkozásának, munkakörülményeinek tisztázása. Ezt a beteg nagyon gondos, részletes fizikai kivizsgálása, mellkasröntgen-felvétel készítése és különböző laboratóriumi tesztek elvégzése követi.
Amennyiben a vizsgálatok elvégzésével sem sikerül tisztázni a tünetek okát, és a tüdőrák gyanúja továbbra is fennáll, a mellkast és a benne elhelyezkedő szerveket részletesen feltérképező CT - komputer-tomográfiás - vizsgálatra kerül sor.
Egyes betegek esetében ún. bronchoszkópiára is szükség lehet. Ennek során helyi érzéstelenítésben egy képalkotó műszert vezetnek a légutakba, amelynek segítségével a daganatból szövetminta is nyerhető. Ha nem a légutakban van a tumor, úgy a bőrön át, CT-vezérelt tűbiopsziával is történhet mintavétel.
A pontos diagnózis felállításában a mellüregben felszaporodott folyadék leszívása, és üledékének mikroszkópos vizsgálata is segíthet. A betegség pontos diagnózisához esetenként szükséges lehet a mellkas megnyitásával járó műtéti beavatkozás, az ún. torakotómia.