绝大多数的肺肿瘤为恶性的，可分为以下四大类：(1)扁平细胞瘤(squqmous cell carcinoma)。 (2)腺瘤 (adenocarcinoma)。 (3)大细胞瘤 (large cell carcinoma)。 (4) 小细胞瘤 (small cell carcinoma)。
扁平细胞瘤 (一称鳞状细胞瘤 epidermoid carcinoma)，过去为肺癌中最常见者， 目前已次于腺癌而退居第二位。细胞来源自变形之基底细胞 (basal cells)， 通常位于肺部较中心的位置。虽然它的肿瘤生长速度较腺瘤高，但它通常生长到较大的体积后才开始转移，故预后为所有肺肿瘤中较佳者。组织学可见分化良好的扁平细胞瘤胞质内有嗜橙色体 (orangephilia) 以及角质之形成，但分化不佳者，有时难以和其它类型的肿瘤作鉴别。
腺瘤为目前肺癌当中最常见者。它与扁平细胞不同的是通常位于肺部较周边的部份，生长速度较慢，但却有相当可能为多发源性 (multicentric) 与易于早期转移至别处。故预后较扁平细胞为差。而其细胞型态呈多元性，如腺泡 (acinar)， 乳头 (papillary)，实质型 (solid)，以及气管支肺泡 (bronchioalveolar) 型。黏液 (mucin)染色多为阳性。气管支肺泡型是其中较特殊的种类，它通常沿着肺泡壁生长扩张，细胞为柱状或立方细胞型上皮，来源自 clear 细胞或 type II 肺泡细胞。由于这型肺癌细胞早期并不破坏附近肺泡结构，故 X 光检查呈肺实质化 (consolidation) 或肺炎型变化，可见 air-bronchogram 征，甚难与肺部其它良性病变作鉴别诊断。
大细胞型 (large cell carcinoma，未分化型 undifferenciated type)，这一类型肺癌只占约 6%，分化程度较差，多半属腺癌类。但它独立分出是因分化差，预后也较差。
小细胞型 (small cell) 肺癌占所有肺癌的 20% 左右。它源自支气管基底细胞， 但较小，分化较差，这种称之为燕麦细胞 (oat cell) 者，胞质少，核仁不明显，呈高活性细胞分裂像。有时可见燕麦细胞混有扁平细胞及腺细胞的型态， 称之为合并型燕麦细胞瘤 (combined oat cell carcinoma)。另一种细胞型态较大者为中间型 (intermediate)细胞。小细胞肺癌对化学治疗较为敏感， 而 75% 病灶位于肺野中央的位置。由于它生长快，易转移，故发现时多已有纵隔淋巴腺的转移。 由于小细胞属神经内分泌(neuroendocrine)来源，故须与类癌瘤(carcinoid)作仔细的区别。
在使用电子显微镜作肺癌细胞超结构(ultrastructure)分析时，可见分化良好肺癌的典型发现，如扁平细胞癌之tonofilaments bundle (keratin)，众多的desmosomes， 以及keratohyaline granules。腺癌之细胞内外黏液，众多 RER(颗粒内质网) 以及 Golgi 体。但对分化不佳的细胞则殊难分别。免疫组织染色法(immunohistochemistry) 则对上皮瘤(carcinoma)与其它间质瘤(mesenchymal tumor)的鉴别诊断有所帮助。由于肺癌细胞的同源异质性(heterogeneity)，故其切片多可看到不只一种的细胞型。