כל גידול סרטני מוגדר על ידי הסוג ההיסטולוגי (כלומר, סוג התאים המרכיב אותו) ומידת הפיזור שלו (כלומר, שלב המחלה).
גם סרטן ריאה מסוג תאים לא קטנים מוגדר לפי מידת הפיזור שלו בגוף. ההגדרה המדויקת של שלב המחלה חשובה לקביעת הטיפולים ותעשה על ידי הרופא המטפל על סמך כלל הנתונים.
להלן תיאור השלבים שיהיה נכון ברוב המקרים (אולם לא תמיד: קביעת השלב תלויה בגורמים רבים ואינה פשוטה):
שלב 1: זהו גידול קטן, שנמצא בריאה במקום בו ניתן לכרות אותו בניתוח או לחסל אותו בטיפול קרינתי.
שלב 2: גם כאן מדובר על גידול קטן יחסית, אולם יותר גדול מגידולי שלב 1, או במיקום שהופך את הטיפול בו לבעייתי יותר. בדרך כלל גם גידול כזה ניתן לכריתה או לטיפול בקרינה. גידול בשלב 2 לעיתים מערב גם בלוטות לימפה, דבר המעיד על מידת האגרסיביות שלו, ואם הוא נכרת בהצלחה, בדרך כלל יש לשקול תוספת של טיפול כימותרפי ("טיפול משלים").
שלב 3: בדרך כלל מדובר בגידול שהתחיל בריאה והתקדם לבלוטות לימפה שנמצאות במרכז בית החזה (באזור הנקרא "מיצר", מדיאסטינום בלעז). זהו מצב שבעייתי יותר לטיפול (נושאים שנויים במחלוקת בטיפול בסרטן ריאה, טפול משולב כמותרפיה-קרינה). עקרונית מאחר שמדובר על גידול שעדיין לא התפזר בגוף, יש לעיתים פוטנציאל לריפוי מלא.
נושאים שנויים במחלוקת בטיפול בסרטן ריאה מסוג תאים לא קטנים בשלב 3
שלב 4: גידול סרטני שהתפזר בגוף, מעבר לריאה ומעבר לבלוטות הלימפה שבמיצר (ראה שלב 3 לעיל). באופן עקרוני מדובר על מצב שאינו ניתן לריפוי. גם אם קיימת גרורה אחת או מספר קטן של גרורות, ואפילו אם (תאורטית או מעשית) ניתן לכרות את כולם, קיום של גרורות מעיד על פיזור של הסרטן בגוף. היווצרות גרורות היא תוצאה של תהליך בו תאי סרטן נודדים דרך זרם הדם ומתיישבים במקומות שונים בגוף. מטרת הטיפול במצב זה היא לעכב את התפתחותם ככל האפשר, אולם אי אפשר לחסל את המחלה.