Высшим диагнозом рака легких является патологоанатомический диагноз. Патологически различают два основных типа рака легких: немелкоклеточный рак легких, происходящий из эпителиальных клеток (расположенных во внутреннем слое дыхательных путей, которые могут выделять слизь и играть роль смазки и защиты легочных тканей), является основным типом; другой тип — мелкоклеточный рак легких, происходящий из нервных или гормонсекретирующих клеток легкого. Термин «мелкоклеточный» относится к размеру и форме клеток под микроскопом. В целом, пациентам с клиническим диагнозом рака легкого на основании клинических проявлений, лабораторных анализов и особенно визуализации необходимо как можно скорее поставить патологоанатомический диагноз. Исследование в открытой грудной клетке подходит для пациентов с высоким подозрением на рак легкого при визуализации, но раковые клетки не обнаружены при цитологии мокроты и трахеоскопии, а пациент по разным причинам не подходит для пункции легкого.