Diese erfolgt weltweit nicht alleine aufgrund des makroskopischen Erscheinungsbildes, des Röntgen- oder des Ultraschallbildes, sondern vor allem aufgrund des mikroskopischen (feingeweblichen oder zellulären) Bildes eines verdächtigen Körperteiles. Bei entsprechendem Verdacht werden dem Patienten in der Regel Organ- oder Gewebeteile entnommen und mikroskopisch untersucht.

Diese Untersuchung kann heute bereits vielfach auch an vergleichsweise wenigen Zellen, statt an Geweben erfolgen (Cytopathologische Krebsdiagnostik).

Abstrich von einem Krebs-verdächtigen Herd am Zugenrand mit einer kleinen Bürste. Entnahme eines Abstriches aus dem Muttermund mit einem gestielten Bürstchen.   Zellen eines Drüsen-bildenden Karzinoms des Gebärmutterhalses in einem Abstrich. Medizinisch-Technische Assistentin beim Durchmustern eines zellhaltigen Präparates am Mikroskop.

Keine Behandlung von Krebs darf ohne vorangehende (zumindest aber nachgehende) histologische oder cytologische Diagnose, einschließlich einer genauen Typisierung des Tumors, durchgeführt werden. Wer dies dennoch tut, begeht einen ärztlichen Kunstfehler.

Die mikroskopische Krebsdiagnostik ist ausschließlich Aufgabe der Fachärzte für Pathologie.