除胸部影像學外，腫瘤標識物是細胞癌變時所分泌的活性物質，存在於癌組織及宿主體液內，對肺癌早期篩查和診斷具有重要意義。從早期的痰細胞學檢測到目前的血液標本基因檢測，臨牀工作人員也努力在分子生物學方面尋找適合的生物學標識物。
癌胚抗原、神經元特異性烯醇化酶和細胞角蛋白19片段是目前臨牀上常用並且認爲是最有價值的肺癌標識物，這些標識物的單項檢測可能具有一定的侷限性，但聯用時肺癌檢測的陽性率明顯增高，對早期診斷具有重要的臨牀意義。
端粒酶在惡性腫瘤如乳腺癌、前列腺癌、肺癌、肝癌和胰腺癌等時表達上調，與其他腫瘤標識物相比，端粒酶活性的水平可在神瘤發生早期即開始上升，從而提示了端粒酶活性可能是腫瘤早期篩查的一個有利的生物學標識物。
循環腫瘤細胞(CTC)是循環中自由存在的惡性腫瘤細胞，從原發腫瘤或轉移部位中脫離而進人血液。近年來，新的技術已發展至可從外周血液中識別、分離和鑑定這些CTC。與傳統的侵人性方法如活檢不同，CTC代表着一類可幫助腫瘤診斷的便利資源，現已認爲是原發性肺癌的轉移性標識物。進一步確認CTC在早期肺癌篩查中作用的臨牀試驗目前仍在進行中。
除上述標識物之外，另有P53抑癌基因、血漿蛋白組學、循環DNA、SURVIVIN蛋白及P16基因等均是目前報道的肺癌篩査指標。但值得注意的是，單一的腫瘤標識物的敏感度較低，在大樣本篩查中的作用受限，聯合使用腫瘤標識物可能會增加早期肺癌的篩查率，這也需要進一步的臨牀研究結果證實。
