肺癌非常容易出現腦部轉移，有學說認為肺癌細胞有一定的嗜中樞神經的特點，不過這個學說需要進一步論證。目前比較公認的理論認為是肺血管與椎體靜脈系之間存在交通支，肺癌細胞可以不經過肺部毛細血管的阻滯和過濾功能，直接通過血液循環進入大腦，從而發生腦轉移。
肺癌擴散到腦部，在病灶較小時可能沒有任何症狀，部分病人是在定期複查頭顱磁共振或者PET-CT時發現腦部有轉移。當轉移灶長到一定大小或者出現多個時，由於佔位效應出現顱內壓增高的症狀，表現為頭痛，嘔吐，視乳頭水腫。其實這個不僅僅是肺癌腦轉移，其他腫瘤腦轉移或者顱內原發腫瘤都有可能出現顱內壓增高的症狀。頭痛是持續性的，早上會比較嚴重，且持續加重無法緩解，嘔吐常常表現為噴射性嘔吐，視乳頭水腫會引起復視，視物模糊，視力下降。轉移灶在非功能區的話，以顱內高壓症狀為主。如果轉移灶在功能區，可出現失語、單側肢體無力，偏癱或者偏身感覺障礙，類似於中風引起的症狀。位於大腦前部額葉的轉移瘤可破壞額葉的精神活動，引起興奮、躁動、憂鬱、壓抑、遺忘等精神異常表現。
轉移到小腦部的肺癌，症狀更典型，因為小腦的一個主要功能就是負責人體的平衡能力，所以患者常在頭痛、嘔吐、視物障礙之後，出現踉蹌的醉酒步態、共濟失調。轉移到顳葉，有可能出現幻嗅，就是說老是聞到不存在的氣味。多發腦轉移可誘發大腦異常放電引起癲癇發作，又稱為繼發性癲癇。轉移灶較多較大時，顱內壓過高，可能出現意識障礙，比如嗜睡、昏睡及昏迷，甚至可引起腦疝危及生命。部分肺癌病人出現腦膜轉移，這個在普通CT甚至核磁共振上都有可能看不出來，需要行腰椎穿刺查腦脊液明確診斷。
肺癌病人中尤其是小細胞肺癌更容易出現腦轉移，所以一旦確診肺癌，即便進行了根治性手術，在後期的隨訪複查過程中也需要常規進行頭顱CT或者磁共振檢查。腦轉移出現後就意味著肺癌晚期，預後比較差，治療上主要採用全腦放療或者立體定向放療，可以口服替莫唑胺化療，基因檢測突變者可以考慮口服小分子靶向藥物治療。
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