Lorsqu’un médecin soupçonne l’existence d’un cancer chez son patient suite à un dépistage ou en présence de symptômes, il lui fait un examen clinique général, l’interroge sur son histoire personnelle et familiale, puis il prescrit des examens complémentaires. Selon les cas, il s’agira d’examens d’imagerie, de biologie, d’anatomocytopathologie ou de génétique.

La seule méthode permettant de poser un diagnostic de cancer avec certitude consiste à recueillir un morceau de tumeur par biopsie ou intervention chirurgicale, et à observer les cellules tumorales au microscope : en fonction de divers critères (forme des cellules, pourcentage des cellules en cours de division, etc.), le pathologiste détermine alors si ces cellules ont des caractéristiques cancéreuses.

Divers examens permettent aussi d’évaluer la diffusion de la maladie et de déterminer si la tumeur est localisée ou si des métastases touchent une autre partie du corps. C'est ce que les médecins appellent le "bilan d'extension". En complément des premiers examens, il est ainsi parfois nécessaire de réaliser par exemple, une scintigraphie pour détecter d’éventuelles métastases osseuses ou un dosage sanguin de certaines protéines spécifiques des cellules cancéreuses (ce qu’on appelle des marqueurs tumoraux) pour évaluer le degré de progression ou d’agressivité de la maladie.

Un test de dépistage permet uniquement de détecter des anomalies pouvant faire suspecter l’existence d’une lésion précancéreuse ou d’un cancer. Mais un test de dépistage positif ne constitue pas un diagnostic, car ces anomalies peuvent se révéler bénignes, c’est-à-dire sans gravité. Il est donc toujours nécessaire de pratiquer des examens de diagnostic complémentaires pour confirmer, ou écarter la présence d’un cancer.

Les progrès concernent tous les modes de diagnostic. Les techniques d’imagerie permettent notamment de repérer avec une plus grande précision qu’auparavant la présence de cellules cancéreuses dans l’organisme : la plus récente est la tomographie par émission de positons (TEP-Scan ou PET-Scan à l'anglo-saxonne). Grâce aux progrès des techniques d’endoscopie, il est par ailleurs possible de réaliser des biopsies de façon beaucoup moins invasive. Enfin, la recherche en biologie moléculaire a découvert de nombreux marqueurs tumoraux, ce qui permet par exemple d’adapter un traitement en fonction des caractéristiques d’une tumeur.