肺癌通常起源于气管内层细胞。这正可以简单地认为吸烟者有一个不正常的恶性变的细胞，其成为并决定了患者发病的来源。一项关于死于不是肺癌的男性吸烟者的研究，降整个气管支气管树切成段，发现每天吸烟1 -2包者，原位癌区域占48%，且每个患者均有4.3个病灶。每天吸烟2包者，原位癌区占75%，每个患者平均有11.4个病灶。有另一项研究，对有治疗意义的曾行切除术治愈的肺癌患者随访了14年。即使经过这一时期后，其每年死亡率也比预期的要高2.3倍，并且最主要的死亡原因还是肺癌，可能是第2或第3次原发性肿瘤。

多数肺癌有DNA含量异常，呈现明显的染色体异常，比如第3对号染色体短臂的缺失和第7对号染色体的三倍体。在一些有肿瘤基因的家庭已明确有遗传学异常。在人类肺癌往往可发现ras基因突变和myc簇的过度表达。p53基因突变是常见的，这是将来控制沛癌的一个令人振奋的研究领域。

肺癌，尤其是小细胞肺癌，易于早期和广泛转移。一般转移部位是脑、骨(包括骨髓)、肺、肝、肾上腺及皮肤。然而最早扩散的往往是局部淋巴结。因此对肺的淋巴结引流途径的了解是重要的。

癌转移的第1级是肺门淋巴结。这些淋巴结围绕肺主支气管分出的叶或段支气管的起冶部。淋巴结紧黏于叶间裂深部和支气管及肺动脉上，这些淋巴结用纵隔镜是观察不到的。

扩散的第2级是纵隔淋巴结。在右肺最先受累的是总气管分出的右主支气管起始部周围的气管支气管淋巴结。隆突前下淋巴结、奇静脉及气管前淋巴结。其后受累的是无名动脉平面或紧靠其下方的总气管旁淋巴结。这些淋巴结均可经颈部纵隔镜观察到，并且可在CT上加以鉴别。

在左肺，癌的扩散往往到主肺动脉或主动脉旁淋巴结，但转移也可发生于左前纵隔淋巴结。经颈部纵隔镜检查观察不到这些淋巴结，但从左前纵隔镜或胸腔则能观察到。乍下肺癌偶尔可经隆突下淋巴结或两侧下肺静脉下方的肺韧带内受累的淋巴结转移至右侧纵隔。

第3级扩散的淋巴结是位于锁骨上前斜角肌上方脂肪垫内的淋巴结。经斜角肌淋巴结，肺癌可扩散到锁骨上淋巴结。上述淋巴结扩散的层次也是转移的常见途径。但是当通常的淋巴结引流通道被肿瘤阻塞后，可播散至对侧纵隔淋巴结，甚至逆行至腹部。