肺癌的组织学分类是目前治疗的重要参考，在临床上，一般以形成肺癌组织的病理特征来区分肺癌的类型，可分为小细胞肺癌和非小细胞肺癌两大类，两者相比较，在生物学特点、诊断标准、分期方法、治疗方案等诸多方面都有很大的不同。小细胞肺癌是由小细胞组成的恶性上皮性肿瘤。此型肺癌约占20%。小细胞肺癌的癌细胞体积较小，癌细胞呈圆形或卵圆形，亦可为梭形；核位于中央，常带棱角，染色质细而弥散，核仁不清；细胞质稀少，且呈嗜碱性；恶性度高，易复发转移，较其他类型的年龄较轻。常见于主支气管和叶支气管，伴肺门和纵膈淋巴结广泛转移，诊断是约有2/3远处转移。同时，可能出现抗利尿激素分泌异常综合征、库欣氏综合征等副肿瘤综合征。
非小细胞肺癌又可分多种，其中鳞状细胞癌、腺癌和大细胞癌较为常见。肺鳞状细胞癌是一种显示角化和细胞间桥的恶性上皮肿瘤，约占肺癌的40%，与吸烟有密切的关系。约占肺癌的30%，体积可巨大并有空洞形成，伴有空洞的肺癌大部分为鳞癌，位于中心时可呈息肉状突向支气管腔。鳞癌大多起源于较大的支气管，且淋巴和血型转移多见，可直接侵犯纵膈淋巴结、支气管旁和纵膈软组织。
非小细胞肺癌还有腺癌和大细胞肺癌，肺腺癌是具有腺样分化或有癌细胞产生黏液产物的恶性肿瘤，其生长方式可分为腺泡状、乳头状，细支气管肺泡状，具有黏液形成的实性癌巢以及上述生长方式的混合形式，肺腺癌占肺癌的20~30%。肺腺癌的形态学特点有：癌细胞有分泌黏液的能力和分化成熟的异常腺体形成，或形成柱状细胞内衬乳头状结构。少数腺癌在癌细胞质可见大小不等的嗜酸小球。在发达国家中，腺癌可单发、多发或表现为弥漫性，发生于外周并累及肺膜是最常见的临床表现，其余可发生于肺中央或支气管部位，弥漫性如双侧肺炎改变、单侧肺内播散结节、广泛胸膜转移或类似恶性胸膜间皮瘤。淋巴和血型转移是其主要途径，极易出现区域淋巴结合远处转移。
大细胞肺癌亦称为未分化大细胞肺癌，它是一种缺乏小细胞肺癌、腺癌或鳞状细胞癌细胞分化特点的未分化恶性上皮细胞癌。此型肺癌占肺癌的15%。在光镜下，大细胞肺癌无肯定的鳞状细胞癌或腺癌的分化特征。大细胞肺癌的形态学特点有：癌细胞呈实性团块，或弥漫呈大片，无腺体或鳞分化的特征。好发于老年男性，绝大多数患者有吸烟史，临床上表现为肺外周大肿块、侵犯亚段支气管或更大气道，但同腺癌类似，易出现区域淋巴结和远处转移。不同恶性类型的肺癌恶性程度不同，肿瘤的侵润程度也不同，治疗方法也一样，需要结合病情和患者具体情况给予合理的治疗方案进行治疗。
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