Anamneza uključuje i osobnu i obiteljsku anamnezu te otkriva prisutnost čimbenika rizika za nastanak raka pluća (npr. pušenje). Fizikalni pregled (uključujući palpaciju dojki, digitorektalni pregled, palpaciju  limfnih čvorova, testisa, štitne žlijezde te vrlo temeljit pregled kože cijelog tijela) može otkriti simptome ili znakove kao što su poteškoće s disanjem, simptomi opstrukcije dišnih putova ili infekcije u plućima. Cijanoza, plavkasta boja kože i sluznica zbog nedostatka kisika u krvi, sugerira kompromitiranu funkciju pluća zbog kronične bolesti pluća. Isto tako, promjene u tkivu ležišta noktiju također mogu ukazivati na kroničnu bolest pluća.

Rendgenska snimka pluća je najčešći prvi dijagnostički korak ukoliko postoji sumnja na rak pluća. Snimaju se dvije snimke: sprijeda – straga i jedna snimka iz profila. Kod RTG snimke pluća pacijent dobije vrlo malu dozu zračenja. RTG snimka može otkriti sumnjivo područje pluća, ali ne može utvrditi je li to zloćudne prirode. Primjerice, kalcificirani čvorovi u plućima ili benigni tumori koji se nazivaju hamartomi mogu se vidjeti na RTG snimci i ponekad sličiti na rak. Na radiogramu pluća često možemo izmjeriti okvirnu veličinu tumora pluća, identificirati povećane limfne čvorove u sredoprsju a često nalazimo i indirektne nespecifične znakove povezane s prisutstvom tumora (prisutnu slobodnu tekućinu u prsištu i sl.).

Nakon inicijalne detekcije promjene suspektne na zloćudni tumor na konvencionalnom radiogramu toraksa preporuča se snimanje CT-om (kompjuterizirana tomografija) koje omogućuje odličnu vizualizaciju prsnog koša, trbuh i/ili mozga i dobivanje više informacija o opsegu ili lokalizaciji tumora kao i stupnju intratorakalne invazije tumora. CT abdomena ili trbuha može identificirati metastatski rak primjerice u jetri ili nadbubrežnom žlijezdama, a CT glave otkriva prisutnost i opseg metastaza u mozgu. CT također koristi ionizirajuće zračenje, ali uz pomoć računala kombinira više slika i tako generira presjek ljudskog tijela. Uređaj u obliku prstena kruži oko tijela i pod različitim kutovima bilježi snimke tijela te je osjetljiviji od standardnih RTG snimaka pluća. Ponekad se tijekom snimanja daje intravenozno kontrastno sredstvo radi još preciznijeg prikaza smještaja i strukture organa. CT izlaže bolesnika većem zračenju nego RTG snimka pluća. Najčešća nuspojava je reakcija na intravenozno kontrastno sredstvo. Obično se javljaju svrbež i osip koji obično nestaju brzo. Teške anafilaktičke reakcije (po život opasne alergijske reakcije s otežanim disanjem) na kontrast su vrlo rijetke.

Magnetska rezonancija (MR) može biti prikladna u slučajevima kada želimo precizno lokalizirati tumor određenih karakteristika i smještaja. MR tehnika koristi magnetizam, radio valove i računalo za proizvodnju slike tjelesnih struktura. Kao i kod CT skeniranja, pacijent je smješten na pokretni krevet koji je umetnut u MR skener. Nema poznatih nuspojava MR skeniranja i nema izloženosti zračenju. Snimke nastale MR su detaljne i mogu otkriti male promjene strukture unutar tijela. Osobe sa srčanim pacemakerom, metalnim implantatima, umjetnom srčanim zaliscima i nekim kirurški ugrađenim metalnim strukturama ne mogu biti skenirane zbog rizika da magnet pokrene metalne dijelove tih struktura i ošteti tkiva. MR je najznačajnija u otkrivanju metastaza mozga i leđne moždine.

Pozitronska emisijska tomografija (PET) je specijalna tehnika koja koristi kratkoživuće radioaktivne tvari za proizvodnju trodimenzionalne slike u boji tkiva u tijelu. Dok CT i MR daju informaciju o anatomiji i izgledu tkiva, PET skenira metaboličku aktivnost i funkciju tkiva. Tumorske stanice imaju intenzivniji metabolizam od normalne stanice što se na PET-u detektira kao povećano korištenje radioaktivno obilježene glukoze. Na taj način PET može utvrditi da li tumorsko tkivo aktivno raste ali i procijeniti odgovor na terapiju. Kod PET skeniranja, pacijent dobiva radioaktivni farmak od kojeg prima zračenja otprilike koliko i dvije obične RTG snimke prsnog koša. Radioaktivna tvar se akumulira u određenim tkivima više nego u drugima, ovisno o vrsti tvari koja se ubrizgava. Iz dotičnog tkiva se ispušta čestica poznata kao pozitron. Kad pozitron susretne elektron unutar tijela dolazi do reakcije i proizvodnje gama zrake. Skener evidentira te gama zrake na području gdje je radioaktivna supstanca nakupljena. Na primjer, kombinacija glukoze (zajednički izvor energije u tijelu) s radioaktivnom tvari dovest će do pojačanog nakupljanja tog kompleksa na mjestima gdje se ona najbrže troši. A takvo mjesto je i tumor. PET skeniranje može biti integrirano s CT skeniranjem u tehnici poznatoj kao PET-CT skeniranje. Integrirani PET-CT je pokazao veću točnost nego PET sken sâm. Indikacije za pretragu određuje specijalist onkolog tijekom postupka postavljanja dijagnoze i određivanja stadija proširenosti bolesti. PET i PET-CT se ne preporučaju kao dio rutinskog praćenja asimptomatskih bolesnika, koji su završili kurativno liječenje.

Scintigrafija kosti (sken kosti) koristi se u onkoloških bolesnika kako bi se utvrdilo da li je rak metastazirao na kosti. Kod scintigrafije kostiju, mala količinu radioaktivnog materijala se ubrizgava u krvotok i nakuplja u kostima, radioaktivni materijal se potom detektira skenerom a slika kosti se snima na poseban film za trajnu pohranu. Metastatske promjene se detektiraju kao područja asimetričnog pojačanog nakupljanja radiofarmaka. Važno je znati razlikovati područja prijeloma i degenerativnih promjena na kostima koje mogu dovesti do interpretacije lažno pozitivnih rezultata.

Citologija sputuma ili iskašljaja: Dijagnoza raka pluća uvijek zahtijeva potvrdu malignih stanica od strane citologa ili patologa, čak i kada su simptomi i sve pretrage jasno ukazale da se radi o raku pluća. Najjednostavniji način da se utvrdi dijagnoza je ispitivanje sputuma pod mikroskopom. Ako je tumor smješten centralno i nalazi se u dišnim putovima, ovaj postupak, poznat kao citološki pregled iskašljaja, može omogućiti vizualizaciju tumorskih stanica za dijagnozu. To je jeftin postupak bez rizika, ali je njegova vrijednost ograničena budući da tumorske stanice često nisu prisutne u iskašljaju, čak i ako je rak prisutan. Također, ne-tumorske stanice povremeno mogu proći promjene u reakciji na upale ili ozljede zbog čega ponekad izgledaju kao stanice raka.

Bronhoskopija: Ispitivanje dišnih putova bronhoskopom (vizualizacija dišnih putova kroz tanku optičku sondu kojom se prolazi kroz nos ili usta) može otkriti područje tumora te se može uzeti uzorak za dijagnozu (citološka i/ili patohistološka analiza). Ponekad se tijekom bronhoskopske pretrage istodobno koristi i ultrazvučna pretraga kojom se dodatno poboljšava preciznost kod uzimanja materijala za analizu. Tumor u središnjem području pluća ili koji proizlazi iz većih dišnih putova je dostupan uzorkovanju ovom tehnikom. Bronhoskopija se može obavljati pomoću krutog ili fleksibilnog bronhoskopa i može se obavljati ambulantno. U nekim slučajevima postupak može biti složeniji te zahtijevati sedaciju ili anesteziju pa se bronhoskopija tada provodi u operacijskoj sali, o čemu će odlučiti liječnik. Iako je bronhoskopija relativno sigurna i rutinska metoda, mora ju obavljati posebno educirani specijalist. Neki pacijenti mogu iskašljavati tamno-smeđu krv jedan do dva dana nakon zahvata. Moguća ozbiljnija, ali rijetka komplikacija uključuje veću količinu krvarenja, smanjenje razina kisika u krvi, te aritmije srca, a moguće su i komplikacije od primjene sedativa i anestezije.

Iglena biopsija: Aspiracija sadržaja tankom iglom (FNA) kroz kožu, najčešće se izvodi pod kontrolom rendgena ili CT-a. Može biti potrebna kod uzimanja uzorka tumorskih stanice za dijagnozu, osobito kod periferno smještenih tumora u plućima koji nisu dostupni bronhoskopu. Mala količina anestetika daje se prije uboda tankom iglom kroz prsni koš. Stanice se usisaju u špricu te potom ispituju pod mikroskopom. Ovaj postupak je obično uspješan kada je zahvaćeno područje adekvatno odabrano. Ovaj postupak prati mali rizik od ulaska zraka u pluća i razvoja pneumotoraksa (3 do 5%).

Torakocenteza: Ponekad rak pluća zahvaća i tanku ovojnicu oko pluća (pleuru) i dovodi do nakupljanja tekućine u prostoru između pluća i grudnog koša što se zove pleuralni izljev. Uzimanje uzorka ove tekućine s tankom iglom (torakocenteza) može otkriti stanice karcinoma. Kao i kod iglene aspiracijske biopsije, postoji malen rizik od pneumotoraksa.

Kirurški zahvati: Ako nijedna od spomenutih metoda nije dovela do dijagnoze, do tumorskog tkiva mora se doći kirurškom biopsijom. To može uključivati medijastinoskopiju (ispitivanje prsnog koša između pluća, sredoprsja, kroz kirurški umetnutu sondu za biopsiju) ili torakotomije (kirurško otvaranje prsnog koša radi uklanjanja ili biopsije tumora). Oba postupka nose rizik velikih kirurških zahvata (komplikacije kao što su krvarenje, infekcija i rizici povezani s anestezijom i lijekovima). Ovi postupci se izvode u operacijskoj sali, a pacijent mora biti hospitaliziran.

Krvni testovi: Iako rutinski krvni testovi sami ne mogu dijagnosticirati rak pluća, oni mogu otkriti biokemijske ili metaboličke abnormalnosti u tijelu koji ponekad prate rak. Laboratorijski parametri pokazuju kakva je funkcija primjerice koštane srži, jetre ili bubrega. Na primjer, povišena razina kalcija ili enzima alkalne fosfataze može postojati ukoliko je karcinom metastazirao u kosti. Isto tako, povišene razine određenih enzima normalno prisutnih unutar jetrenih stanica, uključujući aspartat aminotransferaze (AST) i alanin aminotransferaze (ALT), signaliziraju oštećenje jetre pa mogu postaviti sumnju na prisutnost metastaza u jetri. Povišene vrijednosti nekih proteina, ili biomarkera, koji se nalaze u krvi mogu biti upozorenje da je rak prisutan kod osoba sa sumnjivim nalazom na RTG-u pluća ili nalazu drugih slikovnih metoda pregleda pluća.