肺肿瘤病理诊断的方法很多，但各有优缺点，可根据不同病情选择一种或多种方法。
1.痰脱落细胞学检查：痰脱落细胞学检查的阳性率20%~50%，其中约半数可区分类型。优点是取样方便，方法简便，没有痛苦，可以反复留取送检。患者晨起嗽口后，主动咳嗽，从深部咯出痰后留于标本杯中，带有血痰部分的痰液检查阳性率更高。一般送痰检3~6次。缺点是病变小、早期病人痰量少或无痰，不容易确诊。
2.纤维支气管镜检查：支气管镜检查是病理诊断肺肿瘤的有效手段，通过支气管镜检查可观察肿瘤的部位和范围，钳取或刷取病变部位组织、细胞作病理学检查。优点是大部分病人据此可能确诊，缺点是检查过程中患者有一定痛苦，也有出血、感染的可能性。
3.肺穿刺活检：有细针穿刺、专用活检枪穿刺两种，前者取得标本少，主要为细胞病理诊断，后者可取得组织标本，可用于组织病理诊断，准确性更高;但前者创伤小，几乎无严重并发症，后者气胸、出血的发生率较高。引导的方法有X线透视、CT或B超等。
4.胸腔镜活检：是病理诊断与治疗可以同期完成的微创手术。优点是对于早期病变容易确诊，缺点是要承受手术和全身麻醉的过程，费用较高。
5.纵隔镜检查：纵隔境检查是诊断肺癌纵隔淋巴结转移的有效手段。
6.开胸手术探查：若经上述检查仍未确诊，又高度怀疑为恶性者，则考虑开胸手术探查。但必须根据病人年龄、肺功能、手术并发症等仔细权衡利弊后决定。
临床上也有一些病人通过穿刺体表转移淋巴结如锁骨上淋巴结、穿刺抽胸水脱落细胞检查等明确病理诊断，但是这些病人病期更晚，治疗选择的余地很小，以化疗或中医药、支持治疗为主。