主要取決于分期：I和II期。I和II期非小細胞肺癌一般都需要手術治療。許多患者手術即可根治。腫瘤比較大或者有證據表明已經發生淋巴結轉移的患者可以從新輔助化療（手術前化療，又叫做誘導化療）中獲益，或者接受輔助化療以降低腫瘤復發的風險。對于不能手術的肺癌患者建議行放射治療。

III期。大多數III期非小細胞肺癌單純手術或放療不能達到治愈的目的。病人即使手術或放療很成功，其發生原發部位或遠處復發的概率仍較高。因此，醫生一般不建議患者直接手術，而是先行化療，之后再手術。化療后，病人一般仍然需要行手術治療，特別是那些化療有效，腫瘤有縮小的患者。但也有部分病人不行手術而是接受化放療聯合治療，以期達到治愈。化療可以在放療前也可與放療同步進行。化放療聯合治療可以提高放療的有效率，降低腫瘤復發的幾率。同步放化療有效率高于先化療后放療的治療方法，但同時帶來更多副反應。病人化療和放療結束后可能仍然需要手術治療。然而對于放射治療非常有效的患者是否還需要手術，或是化療后腫瘤完全消失的患者是否還需要放療，醫生之間還存在爭論。

IV期。該期病人一般不進行手術或放射治療。極少數情況下，如果患者僅有腦轉移或腎上腺轉移，醫生會建議行轉移灶切除。單一部位的轉移灶也可行放射治療，如腦轉移。但是IV期患者發生其他部位轉移的概率是非常高的。大部分IV期非小細胞肺癌患者僅行化療。

化療的目的是縮小腫瘤，減輕由腫瘤引起的不適，防止進一步轉移和延長患者生存期。化療極少能使轉移性肺癌消失。因此，無論化療多么有效，一般認為IV期肺癌是不可治愈的。這些患者都需要進行密切隨訪和終身治療來控制病情。化療可以改善IV期患者的生存質量并延長生存期。