برای افراد ۵۰ تا ۸۰ ساله که به مدت ۲۰ سال یا بیشتر، روزانه یک بسته سیگار مصرف کرده‌اند یا کسانی که در ۱۵ سال گذشته سیگار را ترک کرده‌اند، انجام غربالگری سالانه با سی‌تی‌اسکن با دوز پایین (Low Dose CT Scan) توصیه می‌شود. این روش می‌تواند در شناسایی زودهنگام سرطان ریه نقش مؤثری داشته باشد. با این حال، هیچ آزمایشی به تنهایی برای تشخیص این بیماری کافی نیست. پزشکان معمولاً مجموعه‌ای از روش‌ها مانند تصویربرداری پزشکی، بررسی سوابق و معاینه فیزیکی بیمار، آزمایش‌های خون و نمونه‌برداری (بیوپسی) را به‌طور هم‌زمان به کار می‌گیرند. ترکیب این اطلاعات به پزشک کمک می‌کند تا مشخص شود سرطان ریه در کجا آغاز شده، در چه مرحله‌ای قرار دارد و آیا به سایر بخش‌های بدن گسترش یافته است یا خیر.

مهم‌ترین روش‌های تشخیص سرطان ریه عبارت‌اند از:

1. معاینه‌ی فیزیکی و تاریخچه‌ی سلامت شامل بررسی بدن برای یافتن نشانه‌های غیرعادی مانند توده‌ها، و همچنین مرور سابقه‌ی بیمار از نظر عادات سلامتی، سیگار کشیدن، شغل و درمان‌های پیشین است. این اطلاعات نقش مهمی در فرایند تشخیص سرطان ریه دارند.
2. آزمون‌های آزمایشگاهی شامل بررسی نمونه‌های خون، ادرار یا بافت است. این آزمایش‌ها به پزشک کمک می‌کنند تا روند تشخیص سرطان ریه، برنامه‌ریزی درمان و پیگیری آن دقیق‌تر انجام شود.
3. برونکوسکوپی (Bronchoscopy) روشی است که در آن یک لوله‌ی انعطاف‌پذیر از راه گلو وارد مجاری هوایی می‌شود تا برونش‌ها به‌طور مستقیم مشاهده شوند. این روش یکی از ابزارهای مهم در تشخیص سرطان ریه به‌ویژه در مراحل اولیه است.
4. عکس‌برداری با اشعه‌ی ایکس از قفسه‌ی سینه روشی است که به پزشک تصویری کلی از اندام‌ها و استخوان‌های قفسه‌ی سینه می‌دهد. در بسیاری موارد این روش اولین گام در تشخیص سرطان ریه محسوب می‌شود.
5. سی‌تی‌اسکن (CT scan) روشی است که تصاویر دقیق و سه‌بعدی از ریه‌ها و سایر اندام‌ها ارائه می‌دهد. استفاده از ماده‌ی حاجب می‌تواند کیفیت تصاویر را بالاتر ببرد و کمک بیشتری به تشخیص سرطان ریه کند.
6. سیتولوژی خلط روشی است که در آن نمونه خلط زیر میکروسکوپ بررسی می‌شود تا وجود سلول‌های سرطانی آشکار شود. این روش در کنار سایر روش‌ها برای تشخیص سرطان ریه ارزشمند است.
7. توراسنتز (Thoracentesis) روشی است که طی آن مایع اطراف ریه برداشته و بررسی می‌شود. این روش در شناسایی سلول‌های سرطانی و کمک به تشخیص سرطان ریه کاربرد دارد.
8. ام‌آرآی (MRI) روشی است که با استفاده از میدان مغناطیسی تصاویر دقیق از اندام‌های داخلی ایجاد می‌کند. این روش به‌ویژه در تشخیص گسترش سرطان ریه به مغز یا نخاع اهمیت دارد.
9. اسکن توموگرافی گسیل پوزیترون (PET Scan) روشی است که با تزریق ماده‌ی قندی پرتوزا، فعالیت سلول‌ها را نشان می‌دهد. سلول‌های سرطانی به دلیل جذب بیشتر قند، روشن‌تر دیده می‌شوند و این موضوع در تشخیص سرطان ریه و تعیین مراحل آن بسیار مؤثر است.
10. اسکن استخوان روشی است که برای بررسی گسترش سرطان ریه به استخوان‌ها استفاده می‌شود و با تزریق ردیاب پرتوزا انجام می‌گیرد.
11. آزمون عملکرد ریوی روشی است که ظرفیت و کارایی ریه‌ها را می‌سنجد. این آزمایش برای برنامه‌ریزی درمان پس از تشخیص سرطان ریه اهمیت دارد.
12. آسپیراسیون و بیوپسی مغز استخوان روشی است که در آن نمونه‌ای از مغز استخوان گرفته و بررسی می‌شود تا مشخص شود سرطان ریه به مغز استخوان گسترش یافته است یا خیر.
13. توراکوسکوپی (Thoracoscopy) روشی است که با ایجاد برش کوچک در قفسه‌ی سینه و وارد کردن دوربین انجام می‌شود. این روش به جراح امکان می‌دهد بافت‌های مشکوک را برای تشخیص سرطان ریه نمونه‌برداری کند.
14. مدیاستینوسکوپی (Mediastinoscopy) روشی است که برای نمونه‌برداری از گره‌های لنفاوی مرکز قفسه‌ی سینه انجام می‌شود. این آزمایش نقش کلیدی در تعیین مرحله‌ی بیماری و تشخیص سرطان ریه دارد.
15. توراکوتومی (Thoracotomy) روشی است که طی آن قفسه‌ی سینه باز می‌شود تا جراح ریه را مستقیماً بررسی کند. اگرچه بیشتر برای جراحی درمانی به‌کار می‌رود، اما در موارد خاص نیز برای تشخیص سرطان ریه استفاده می‌شود.
16. بیوپسی مایع (Liquid biopsy) روشی است که با بررسی DNA آزادشده از سلول‌های سرطانی در خون، اطلاعات ارزشمندی درباره تغییرات ژنتیکی تومور به دست می‌دهد. این روش کم‌تهاجمی است و به تشخیص سرطان ریه و پایش درمان کمک می‌کند.
17. تشخیص توسط بیومارکر روشی است که با بررسی ژن‌ها و پروتئین‌های خاص مانند EGFR، ALK یا PD-L1 انجام می‌شود. نتایج این آزمایش‌ها می‌تواند مسیر درمان هدفمند پس از تشخیص سرطان ریه را مشخص کند.