Los avances en el entendimiento de las bases moleculares del cáncer y el desarrollo de terapias dirigidas frente a alteraciones moleculares accionables han liderado un cambio de paradigma hacia la medicina de precisión. Atender al creciente número de biomarcadores que es necesario determinar para guiar las decisiones terapéuticas en el cáncer de pulmón no microcítico (CPNM) constituye gran reto a nivel metodológico para los laboratorios de diagnóstico molecular. El empleo de tecnologías de última generación es necesario para determinar los múltiples biomarcadores requeridos tanto en el momento del diagnóstico como para la caracterización de la enfermedad a la progresión. La presente Tesis Doctoral ha pretendido la validación técnica de la secuenciación masiva (NGS) y de la PCR digital como aproximaciones de diagnóstico molecular. La exhaustiva caracterización molecular de la enfermedad que han proporcionado, ha permitido abordar la heterogeneidad y plasticidad tumoral así como identificar perfiles moleculares asociados a determinadas características clinicopatológicas. Por último, se han evaluado las implicaciones clínicas de estas aproximaciones tras su traslación a la rutina diagnóstica.