Kanker paru-paru, seperti semua kanker, hasil dari suatu kelainan pada unit dasar sel.
Biasanya, tubuh memelihara suatu sistem checks and balances pada pertumbuhan sel, sehingga sel-sel membelah untuk menghasilkan sel-sel baru hanya jika sel-sel baru yang diperlukan. Gangguan sistem checks and balances pada hasil pertumbuhan sel dalam divisi yang tidak terkendali dan proliferasi sel-sel yang akhirnya membentuk massa yang dikenal sebagai tumor.

Tumor bisa jinak atau ganas, ketika kita berbicara tentang "kanker", kita mengacu pada tumor yang ganas. Tumor jinak biasanya dapat diangkat dan tidak menyebar ke bagian lain dari tubuh. Sedangkan tumor ganas, tumbuh secara agresif dan menyerang jaringan lain dari tubuh, yang memungkinkan masuknya sel-sel tumor ke dalam sistem aliran darah atau limfatik dan kemudian ke situs lain dalam tubuh. Proses penyebaran ini disebut metastasis; area pertumbuhan tumor pada situs-situs yang jauh ini disebut metastasis. Karena kanker paru-paru cenderung untuk menyebar atau bermetastasis sangat awal, itu adalah suatu kanker yang sangat mengancam nyawa dan salah satu kanker yang paling sulit untuk mengobati. Sementara kanker paru-paru dapat menyebar ke organ dalam tubuh, organ-organ tertentu - terutama kelenjar adrenal, hati, otak, dan tulang.

Paru-paru juga merupakan organ yang sangat umum untuk metastasis dari tumor di bagian lain dari tubuh. Metastasis tumor terdiri dari jenis yang sama sel sebagai tumor (primer) asli. Sebagai contoh, jika kanker prostat menyebar melalui aliran darah ke paru-paru, itu adalah kanker prostat metastasis di paru-paru dan tidak kanker paru-paru.