Come per tutte le forme neoplastiche polmonari, l'algoritmo diagnostico deve procedere partendo da anamnesi ed esame obiettivo, entrambe procedure atte ad identificare sintomi e segni tipici della malattia neoplastica polmonare e stabilire il migliore approccio strumentale. In seguito si procede con una radiografia del torace, in grado di evidenziare formazioni nodulari e di porre una prima diagnosi differenziale. Nei casi dubbi si può ricorrere alla citologia dell'espettorato, ricercando le lesioni cellulari tipiche delle neoplasie polmonari; in associazione con tale esame è possibile effettuare una broncoscopia, che nel caso di SCLC risultata di particolare aiuto essendo una forma centrale (per definizione, raggiungibile con il broncoscopio) e per la possibilità di effettuare biopsia durante l'indagine. La biopsia è l'unico esame in grado di dimostrare e confermare la presenza di SCLC e rappresenta lo svincolo dell'algoritmo diagnostico. In caso di positività per SCLC è necessario avvalersi della TAC e della PET al fine evidenziare la diffusione toracica e la presenza di metastasi a distanza; ulteriori indagini devo essere fatte per scongiurare la presenza di metastasi in sede addominale, pelvica e cranica. La mediastinoscopia è un utile presidio per indagare il grado di invasione mediastinica, degli organi vicinori e delle stazioni linfonodali. I profili emato-chimici devono essere indagati per lo studio e il follow-up delle sindromi paraneoplastiche.