绝大多数肺癌均起源于各级支气管粘膜上皮，源于支气管腺体或肺泡上皮细胞者较少。因而肺癌实为支气管源性癌（bronchogenic carcinoma），包括鳞癌、腺癌、小细胞癌和大细胞癌几种主要类型。肺鳞癌主要起源于段和亚段支气管粘膜上皮，后者在致癌因子作用下，经鳞状化生、异型增生和原位癌等阶段再演进为浸润癌。肺腺癌来自支气管的腺体。细支气管肺泡细胞癌究系源于细支气管分泌粘液的上皮或富含糖原的Clara细胞，还是来自Ⅱ型肺泡上皮细胞，尚未最后定论。小细胞肺癌来源于位于支气管粘液腺和支气管粘膜内的Kultschitzky细胞（嗜银细胞）属APUD瘤。近年来有不少的报道，认为所有类型的肺癌均来自呼吸道粘膜的干细胞，它可向多方向分化，因而也可出现混合型癌。
肺癌的肉眼形态多种多样，根据其部位和形态可分为3种主要类型：中央型、周围型和弥漫型。从尸检例看，中央型多于周围型，约为3：1。但从肺癌手术切除标本看，周围型则多于中央型，这是由于受手术指征限制的缘故。
癌块位于肺门部，右肺多于左肺，上叶比中、下叶多见。癌由段支气管以上至总支气管发生，浸润管壁使管壁增厚、管腔狭窄甚或闭塞；进一步发展时，癌瘤沿支气管纵深方向浸润扩展，除浸润管壁外还累及周围肺组织，并经淋巴道蔓延至支气管肺淋巴结，在肺门部融合成环绕癌变支气管的巨大癌块（图1），形状不规则或呈分叶状，与肺组织的界限不清，有时比较清晰。癌块周围可有卫星灶。有时癌块内也可见坏死空腔。
癌发生在段以下的支气管，往往在近脏层胸膜的肺组织内形成直径2～8cm呈球形或结节状无包膜的癌块，与周围肺组织的界限较清晰，而与支气管的关系不明显（图2）。本型发生肺门淋巴结转移较中央型为迟，但可侵犯胸膜。Pancoast瘤是位于肺上叶顶部的肺癌，可由胸膜长入胸壁。
肿块位于肺叶周边部，呈结节状，其境界较清晰，但与支气管的关系不明显
弥漫型罕见，癌组织沿肺泡管、肺泡弥漫性浸润生长，很快侵犯部分大叶或全肺叶，呈肺炎样外观，或呈大小不等的结节散布于多个肺叶内）。此时须与肺转移癌和肺炎加以鉴别。
近年来，国内外对早期肺癌和隐性肺癌问题进行了不少研究，因为这对于肺癌的早期发现和早期诊断具有重要意义。有人主张，早期肺癌可分为管内型、管壁浸润型和管壁周围型三型，但无淋巴结转移。日本肺癌学会将癌块直径＜2cm并局限于肺内的管内型和管壁浸润型列为早期肺癌。痰细胞学检查癌细胞阳性，而临床及X线检查阴性，手术切除标本经病理检查证实为原位癌或早期浸润癌而无淋巴结转移者为隐性肺癌。
肺癌的组织结构多种多样，根据1976年世界卫生组织所定，肺癌的组织学类型可分为鳞状细胞癌、腺癌、小细胞癌、大细胞癌4种基本类型。据统计，仅40％～50％病例呈一致性组织构型，其余则在肿瘤的不同部位表现不同分化状态的组织构型，其转移癌的组织学类型也可与原发癌不同。
主要的肺癌病理类型被分为小细胞肺癌和非小细胞肺癌两大类。WHO组织病理学分类是基于光镜指标并参考组化、免疫组化、电镜等辅助检查结果。分类如表2所示：
鳞状细胞癌为肺癌中最常见的类型，约占50％～70％，尸检统计占35％～45％。患者以老年男性占绝大多数，多有吸烟史。肿块生长较慢，转移较迟。因其多来自段以上或总支气管，故较易被纤支镜检查发现，痰脱落细胞学检查阳性率最高，达88.25％。组织学上分为高分化、低分化和未分化三型。高分化鳞癌癌巢中多有角化珠形成，低分化鳞癌癌巢中仅有少量或无角化现象（图4），未分化型癌细胞多弥漫排列，癌巢不明显，核分裂像较多。三型中以低分化型居多。
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