A forma mais precisa e fiável de diagnosticar tumores malignos é o diagnóstico patológico. Mesmo que um tumor se pareça com um tumor por imagem, como ultra-sons, TAC ou ressonância magnética, não há garantia de que seja 100% maligno. Além disso, por vezes doenças benignas como pseudotumores inflamatórios e hemangiomas não podem ser distinguidas dos tumores malignos na imagiologia. Portanto, é necessário um diagnóstico patológico final para confirmar o diagnóstico do tumor, que pode ser obtido por ultra-sons ou por biopsia por aspiração guiada por TAC, ou por excisão cirúrgica directa. No caso de cancro do pulmão, a patologia também pode ser obtida por broncoscopia. No caso de tumores malignos gastrointestinais como o cancro do esófago, cancro gástrico e cancro colorrectal, a maioria deles pode ser biopsiada e enviada para patologia por endoscopia.