Die Ärzte verfügen heute über viele Methoden, um Krebserkrankungen zu diagnostizieren. Hierzu zählen unter anderem bildgebende Verfahren, Endoskopie sowie Laboruntersuchungen. Diese Verfahren reichen jedoch nicht aus, um die Art der Erkrankung und ihre Ausbreitung im Körper zu beurteilen. Entscheidend für die Diagnostik ist vielmehr die Untersuchung von Gewebeproben durch den Pathologen. Erst wenn der Pathologe bei der feingeweblichen Untersuchung Tumorzellen entdeckt hat, ist die Krebsdiagnose gesichert. Der Oberbegriff "bildgebende Verfahren” bezeichnet alle Untersuchungsmethoden, mit deren Hilfe der Arzt in den Körper hineinblicken kann. Das älteste bildgebende Verfahren ist die Untersuchung mit Röntgenstrahlen. Neuere bildgebende Verfahren sind die Computertomografie, Kernspintomografie, Ultraschall-Diagnostik, Szintigrafie, Positronen-Emissions-Tomografie und die Endoskopie.

Die Feinnadelbiopsie ist ein einfaches und risikoarmes Verfahren zur Entnahme von Zellproben aus auffälligem Gewebe. Zu diesem Zweck sticht der Arzt unter Ultraschallkontrolle mit einer dünnen Hohlnadel gezielt in den verdächtigen Bezirk. Das entnommene Gewebe wird im Labor untersucht und kann Hinweise auf die Art eines Tumors liefern. Normales Gewebe in der Feinnadelbiopsie schließt eine bösartige Erkrankung jedoch nicht aus. Es kann vorkommen, dass der Arzt trotz aller Sorgfalt zufällig ein paar gesunde Zellen erwischt hat. Außerdem ähneln hochdifferenzierte Tumorzellen dem umgebenden Gewebe gelegentlich sehr.

Die zuweilen geäußerte Befürchtung, bei der Entnahme von Gewebeproben könnten Tumorzellen "ausgeschwemmt" werden, die dann Metastasen bilden, ist unbegründet. Dagegen steht der Nutzen dieser Methode z. B. bei Leber-, Prostata- oder Schilddrüsentumoren außer Frage.
Wenn Gewebe mikroskopisch untersucht wird, spricht der Fachmann von einer histologischen Untersuchung, werden einzelne Zellen untersucht, spricht er von einer zytologischen Untersuchung. Für derartige mikroskopische Begutachtungen sind Pathologen verantwortlich, die sich auf dieses Gebiet spezialisiert haben. Ihr Ergebnis erlaubt nicht nur eine exakte Diagnosestellung, sondern darauf aufbauend auch eine optimale Therapieplanung.
Durch die histologische Untersuchung  wird  eine Vielzahl wichtiger Fragen beantwortet, z.B.:

• Enthält die eingesandte Gewebeprobe Tumorzellen? Sind sie gut- oder bösartig? Welche Krebsart liegt vor?
• Stammen die Zellen aus dem Ausgangs-tumor (Primärtumor) oder handelt es sich um eine Tumorabsiedlung, eine Metastase?
• Welchen Reifegrad (Differenzierung) besitzt der Tumor (sogenanntes "Grading")?
• Welche Hinweise auf die Wachstumsgeschwindigkeit des Tumors ergeben sich?
• Besitzen die Tumorzellen besondere Merkmale, beispielsweise Rezeptoren für bestimmte Wachstumsfaktoren oder Hormonrezeptoren, die zusätzliche Behandlungsmöglichkeiten eröffnen?

In der Regel bedient sich der Pathologe lichtmikroskopischer Untersuchungen, um diese und viele andere Fragen mehr zu beantworten. Darüber hinaus sind heute jedoch auch weitere moderne Untersuchungsverfahren, wie z.B. die immunhistochemische Untersuchung mit monoklonalen Antikörpern (z.B. zur Bestimmung bestimmter Rezeptoren auf der Zelle) oder molekulargenetische Untersuchungen (Untersuchungen des Erbmaterials der Tumorzellen), fester Bestandteil des Methodenspektrums des Pathologen. Mit diesen neueren Untersuchungstechniken ist es so beispielsweise möglich, Tumorzellen sehr viel genauer einzuordnen (z. B. Wachstumsfaktorrezeptoren, Hormonrezeptoren) und so die Grundlage für moderne Therapiemöglichkeiten zu schaffen.

Die Endoskopie arbeitet mit Licht, das über lichtleitende Glasfasern in Körperhohlräume geschickt wird. Die Glasfasern sind Bestandteile langer, meist hochflexibler Schläuche, der Endoskope, mit denen der Arzt beispielsweise in Darm oder Magen, Blase oder Bronchien hineinschauen kann. Zu den häufigsten Endoskopien zählt die Darmspiegelung (Koloskopie). Dazu führt der Arzt das Endoskop in den Darm ein und inspiziert die Beschaffenheit von Darmwand und Schleimhaut.

Schon kleinste Veränderungen können auf diese Weise entdeckt werden, lange bevor eine Röntgenuntersuchung einen Befund zeigen würde. Entdeckt der Untersucher eine verdächtige Gewebeveränderung, wird er in der Regel eine Gewebeprobe (Biopsie) zur weiteren mikroskopischen Untersuchung entnehmen. Mit den entsprechenden Werkzeugen ausgestattet, dienen sie beispielsweise dazu, Darmpolypen zu entfernen.

Endoskope werden heute auch verwendet, um operative Eingriffe in Körperhöhlen vorzunehmen. Man spricht dann auch von minimal invasiven Operationen.
Die Spiegelung der Bauchhöhle bezeichnet man als Laparoskopie. So kann der Arzt innere Organe wie Leber, Gallenblase, Milz, Teile des Darms und andere sehen, fotografieren und auch Gewebeproben entnehmen.
Eine Laparoskopie dauert etwa eine halbe Stunde und wird unter örtlicher Betäubung vorgenommen, während sich der Patient in einem Dämmerschlaf befindet. Ein kleiner Schnitt in die Bauchdecke erlaubt den Zugang. Durch eine feine Nadel wird Lachgas in den Bauch gepumpt, so dass ein Hohlraum entsteht, der genug Platz für das Laparoskop schafft. Meistens muss der Patient für diese Untersuchung ein Krankenhaus aufsuchen. Es gibt aber auch niedergelassene Spezialisten, die Laparoskopien in ihrer Praxis vornehmen.

Durch die Gasansammlung im Bauchraum kommt es nach der Behandlung häufig zu Völlegefühl und manchmal auch zu Schmerzen. Beides lässt sich jedoch mit einer Injektion umgehend beseitigen. Dank der weniger belastenden Computer- und Kernspintomografie müssen Laparoskopien heute nicht mehr so häufig vorgenommen werden. Doch manchmal übertrifft die zuverlässige Aussage einer Leberpunktion und Bauchspiegelung andere weniger belastende Untersuchungsmethoden.

Ob eine verdächtige Veränderung - beispielsweise ein Knoten in der Brust - Krebszellen enthält, kann ausschließlich über die Entnahme einer Gewebeprobe beurteilt werden, die vom Pathologen unter dem Mikroskop histologisch ( feingeweblich) untersucht wird. Die Entnahme derartiger Gewebeproben von Patienten wird in der Fachsprache "Biopsie" genannt (griechisch "bio" = lebend, "opsis" = betrachten).

Es gibt verschiedene Methoden, eine Probe durch die Biopsie zu erhalten: Der Arzt kann beispielsweise nach einer örtlichen Betäubung eine Hohlnadel in das Gewebe einstechen und einen Gewebezylinder herausstanzen (Stanzbiopsie) oder ansaugen (Feinnadelbiopsie). Er kann ein Gewebestück auch mit einem Skalpell (Exzisionsbiopsie) oder endoskopisch mit einer winzigen Zange entnehmen. Einzelne Zellen kann er durch Abstriche an Schleimhäuten, beispielsweise am Gebärmutterhals, oder aus Körperflüssigkeiten gewinnen.

"Durch Zufall” fand Wilhelm Conrad Röntgen am Abend des 8. November 1895 "eine neue Art von Strahlen”. Seine Entdeckung ließ einen alten Traum der Mediziner wahr werden: in den Körper zu blicken, ohne ihn zu öffnen. Die durch Röntgen möglich gewordene "Durchleuchtung” des Körpers mit energiereichen Strahlen ist noch heute eines der am häufigsten verwendeten bildgebenden Verfahren in der Medizin.

Bei der Untersuchung steht der Patient zwischen einer Strahlenquelle – der Röntgenröhre – und einem speziellen fotografischem Film. Die Strahlen durchdringen den Körper, treffen schließlich auf den Röntgenfilm und schwärzen ihn. Je mehr Strahlen hindurchkommen, desto schwärzer wird das Bild: Strahlendurchlässige Strukturen wie die weichen Muskeln und Bandscheiben erscheinen deshalb dunkel oder in unterschiedlichen Grautönen, strahlendichte Strukturen wie die Knochen stellen sich hell dar. Auf diese Weise kann ein "Schattenbild”, ein umgewandeltes Strahlenrelief, von einem Organ oder einem Körperteil erzeugt und eine krankhafte Veränderung sichtbar gemacht werden. Eine sehr häufige Röntgenuntersuchung ist die Mammografie der Brust.

Die Röntgentechnik wurde in den vergangenen Jahrzehnten ständig weiterentwickelt. Kombiniert mit Kontrastmitteln kann sie heute auch genutzt werden, um Körperhöhlen, Hohlorgane oder Blutgefäße darzustellen. Kontrastmittel sind Substanzen, die entweder erheblich strahlendurchlässiger oder –undurchlässiger sind als die Gewebe des Körpers. Sie heben sich daher als sehr helle beziehungsweise sehr dunkle Bildstellen vom umgebenden Gewebe ab. Ein Beispiel ist Bariumsulfat. Als Brei getrunken, dient das röntgendichte Kontrastmittel dazu, den Magen-Darm-Trakt darzustellen, um veränderte Wandstrukturen, etwa Polypen oder Tumoren, als Kontrastmittelaussparung zu entdecken.

Bei der Angiografie werden flüssige Jodverbindungen in die Blutbahn injiziert, beispielsweise um Veränderungen der Blutgefäße kontrastreich darzustellen.
Das so genannte Doppelkontrastverfahren kombiniert ein röntgendichtes Kontrastmittel mit röntgendurchlässigen Luftbläschen. Die beispielsweise als Brausetablette verabreichten Luftbläschen lagern sich an den Wänden des Magen-Darm-Trakts an und erlauben, die Schleimhaut des Verdauungstraktes besonders detailreich darzustellen und krankhafte Veränderungen zu beurteilen.

Zu den verschiedenen Untersuchungen, mit deren Hilfe eine Krebserkrankung bestätigt oder ausgeschlossen werden soll, zählen auch die Analysen von Blut, Urin und anderen Körperflüssigkeiten im Labor. Grundsätzlich wird der Arzt ein Blutbild anfertigen und die Anzahl der roten und weißen Blutkörperchen und der Blutplättchen bestimmen. Es gibt aber noch zahlreiche andere Werte, die er untersuchen kann. Hierzu zählen die so genannten Tumormarker.

Die Szintigrafie macht sich die Erkenntnis zunutze, dass sich bestimmte Stoffe in einzelnen Organen und auch in bestimmten krankhaften Veränderungen gezielt anreichern. Markiert man diese Stoffe radioaktiv oder gibt sie in radioaktiver Form in den Körper, sammeln sie sich in einem bestimmten Gewebe oder Organ an und geben dort Strahlung ab. Die radioaktive Strahlung wird dann mit Hilfe einer speziellen Kamera ("Gammakamera”) aufgefangen und sichtbar gemacht. Das Bild, ein so genanntes "Szintigramm”, zeigt, wie sich die radioaktive Substanz im Organ verteilt und gibt dem Arzt Auskunft über seine Funktionsfähigkeit.

Ein wichtiger Anwendungsbereich der Szintigrafie ist etwa die Untersuchung der Schilddrüse mit radioaktiv markiertem Jod. Da Jod vor allem von der Schilddrüse aufgenommen wird, kann das Szintigramm zeigen, wo sich das Jod innerhalb der Drüse befindet. Eine andere wichtige Anwendung dieser Methode ist das Aufspüren von Knochenmetastasen eines Tumors (Skelettszintigrafie). Die Strahlenbelastung bei einer Szintigrafie ist gering; die Substanzen werden innerhalb kurzer Zeit über Urin und Stuhl wieder vom Körper ausgeschieden. Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl anderer szintigraphischer Untersuchungsmethoden, mit denen zum Teil hochsensitiv und -spezifisch Tumorlokalisationen entdeckt und z.T. auch von gutartigen Veränderungen unterschieden werden können.

Tumormarker, so die medizinische Definition, "sind Stoffe, deren Auftreten oder erhöhte Konzentration in Körperflüssigkeiten einen Zusammenhang mit dem Vorhandensein und/oder dem Verlauf von Tumoren aufweist”. Meist handelt es sich um Zucker-Eiweiß-Moleküle (Glykoproteine), die bei einer Krebserkrankung vermehrt im Blut nachweisbar sind. Für die Erstdiagnose Krebs und besonders für die Früherkennung einer Krebserkrankung spielen Tumormarker keine bedeutende Rolle. Auch gibt es nicht für jede Krebsart einen spezifischen Tumormarker. Sie werden aber oft eingesetzt, um zu kontrollieren, wie sich eine Erkrankung nach einer ersten Behandlung weiterentwickelt. Der Verlauf der Tumormarker-Werte über Monate oder Jahre kann darauf hinweisen, ob die Krankheit zum Stillstand gekommen oder ob sie erneut aufgetreten ist.

So steigen vor allem bei Krebserkrankungen des Dickdarmes die Werte eines Zucker-Eiweiß-Moleküls, des karzinoembryonalen Antigens (CEA), im Blut an. In der Verlaufskontrolle und in der Nachsorge kann ein CEA-Anstieg früher als Röntgen- und Ultraschalluntersuchung oder Darmspiegelungen darauf hinweisen, ob die Erkrankung wiedergekehrt ist.

Ein anderes Beispiel für einen Tumormarker ist das "prostataspezifische Antigen” (PSA). Hierbei handelt es sich um ein Zucker-Eiweiß-Protein, das von der männlichen Vorsteherdrüse, der Prostata, gebildet wird. Normalerweise ist PSA im Blut nur in Spuren vorhanden. Bei gut- und bösartigen Erkrankungen steigen die PSA-Werte im Blut jedoch an. Je höher die Werte sind, desto wahrscheinlich ist ein Karzinom. Die Ärzte bestimmen den PSA-Wert auch zur Verlaufskontrolle des Prostatakrebses: Wenn der Wert kontinuierlich ansteigt, deutet dies auf ein Wiederauftreten der Erkrankung hin.

Für die Verlaufskontrolle des Leberkarzinoms ist "Alpha-Fetoprotein” (AFP) von Bedeutung. Erhöhte AFP-Werte deuten mit großer Wahrscheinlichkeit darauf hin, dass die Erkrankung nicht vollständig zurückgedrängt werden konnte. Zusammen mit "Choriongonadotropin”, kurz HCG, wird AFP auch eingesetzt, um die Therapie und den Verlauf von Hodentumoren zu überwachen. HCG, umgangssprachlich "Schwangerschaftshormon” genannt, ist beim Mann normalerweise nicht nachweisbar, kann jedoch bei Hodentumoren auftreten.