כ -80% עד 85% ממקרי סרטן הריאה הם מסוג תאים שאינם-קטנים (NSCLC).
קיימים 3 סוגים עיקריים של NSCLC: אדנוקרצינומה, קרצינומת תאים קשקשית וקרצינומת תאים גדולים.
תת סוגים אלה, מתחילים מסוגים שונים של תאי הריאה, אך למרות זאת, מקובצים יחד כ- NSCLC מכיוון שהגישה הטיפולית והפרוגנוזה שלהם לעתים קרובות דומות מאוד.

אדנוקרצינומה (Adenocarcinoma): סרטן ריאה שמתפתח מתאי הבלוטות המייצרים ריר.
סוג זה של סרטן ריאות מופיע בעיקר אצל מעשנים עכשוויים או לשעבר, אך זהו גם הסוג הנפוץ ביותר של סרטן ריאות שנראה אצל לא מעשנים. הוא נפוץ יותר בקרב נשים מאשר בקרב גברים, ושכיח יותר מאשר סוגים אחרים של סרטן הריאה בקרב אנשים צעירים יותר.
גידול מסוג אדנוקרצינומה יימצא בדרך כלל בחלקים החיצוניים של הריאה, ולעיתים קרובות יתגלה לפני שיתפשט אל מחוץ לריאות.
חולים באדנוקרצינומה מקומית (Adenocarcinoma in situ), שבעבר נקראה Bronchioloalveolar Carcinoma, נוטים להיות בעלי פרוגנוזה טובה יותר מאשר החולים בסוגים אחרים של סרטן הריאה.

קרצינומת תאים קשקשיים (squamous cell carcinoma): מתחילים בתאים קשקשיים, שהם תאים שטוחים המרפדים את הדפנות הפנימיות של דרכי הנשימה בריאות.
לעתים קרובות הם קשורים להיסטוריה של עישון, הם נוטים להימצא בחלק המרכזי של הריאות, בסמוך לדרכי אויר ראשיים (הסמפונות).

קרצינומת תאים גדולים- (large cell (undifferentiated) carcinoma): סוג זה של סרטן עלול להופיע בכל חלק של הריאה. הוא נוטה לגדול ולהתפשט במהירות, מה שעלול להפוך את הטיפול בו למאתגר יותר.
תת-סוג של קרצינומת תאים גדולים, ידועה בשם קרצינומה נוֹיְרוֹאֶנְדּוֹקְרִינִית של תאים גדולים (Large Cell Neuroendocrine Carcinoma) הוא סרטן המתפתח במהירות, והוא דומה מאוד לסרטן הריאה של תאים קטנים (ראו להלן).

תתי-סוגים אחרים: יש גם מספר סוגים אחרים של סרטן הריאה של תאים שאינם-קטנים, כגון קרצינומה אדנוסקוומית (Adenosquamous Carcinoma) וגם קרצינומה סרקומטואידית (Sarcomatoid Carcinoma), אשר נפוצים הרבה פחות.