Salvo raríssimas exceções, o diagnóstico de câncer exige a retirada de um fragmento da lesão (biópsia) para analisá-la ao microscópio, procedimento chamado de exame anatomopatológico. Os exames indicados para documentar a presença de um tumor dependem do tipo de câncer e de sua localização anatômica.

Podem ser necessários exames de sangue, urina e da medula óssea, radiografia, ultrassonografia, tomografia computadorizada, ressonância nuclear magnética, endoscopia, cintilografia, tomografia computadorizada por emissão de pósitrons (PET-TC), além de outros.

Identificado o tumor e feita a biópsia, o material é encaminhado para um laboratório de patologia. É o patologista que dá a palavra final. Se por alguma dificuldade ele não conseguir descobrir em que órgão as células malignas se originaram, pode haver necessidade de utilizar colorações especiais (exame imuno-histoquímico) e testes moleculares no material da biópsia. Identificar o tecido a que pertencem as células malignas e fazer testes moleculares são fundamentais, pois a escolha do tratamento depende dessa identificação.