Bao gồm cả khám bụng và trực tràng. Qua việc sờ nắn vùng bụng, bác sĩ có thể xác định được liệu khối u đã làm kích cỡ của gan to lên, và liệu đã có dịch xuất hiện ở vùng bụng (gọi là cổ trướng). Trong quá trình khám hậu môn, bác sĩ sẽ dùng ngón tay (có đeo găng) để kiểm tra bên trong hậu môn và trực tràng nhằm mục đích phát hiện vết sưng bất thường hoặc vết máu.

Trong quá trình nội soi ruột già, một ống chuyên dụng gắn đèn và camera được đưa qua đường hậu môn vào trong ruột già. Qua đó bác sĩ có thể khám bên trong ruột để rà soát có những tổn thương  bất thường bên trong thành ruột và thực hiện sinh thiết*tổn thương nghi ngờ hoặc cắt bỏ polyp hoàn toàn (trong trường hợp có polyp). Mô tế bào này được gửi đến khoa Giải phẫu bệnh để tìm kiếm tế bào bất thường hay không. 

Nội soi có thể thực hiện trên các khu vực khác nhau, bằng cách đưa dụng cụ chuyên dụng vào bên trong đại tràng ở các độ sâu khác nhau.

• Nội soi trực tràng là một công cụ ngắn và cứng, chỉ được đưa vào bên trong trực tràng trong quá trình nội soi trực tràng.
• Nội soi đại tràng sigma dài hơn một chút và dẻo hơn, được đưa vào trong khu vực phần cuối của ruột già và bên trên đại tràng (trong quá trình nội soi đại tràng sigma*).
• Nội soi đại tràng là một công cụ dài và dẻo, có thể đưa thông qua được hết ruột già (trong quá trình nội soi đại tràng*).

Khối u nằm trong vòng 15cm từ hậu môn được phân loại là khối u trực tràng, trong khi đó bất kỳ khối u nào nằm xa hơn khoảng cách đó được phân loại là khối u đại tràng. Khi khối u trực tràng được phát hiện trong quá trình nội soi trực tràng, việc nội soi đại tràng sẽ bắt buộc phải tiến hành, trước hoặc sau phẫu thuật cắt bỏ.

• Chụp CT đại tràng: chụp CT cả vùng bụng, sau đó máy tính sẽ đưa ra hình ảnh 3D bên trong thành ruột già. Thủ tục này không thường xuyên được sử dụng, nhưng sẽ hữu ích trong trường hợp nội soi đại tràng gặp khó khăn, ví dụ như trong trường hợp có khối u cản trở. Thủ tục này cũng sẽ hữu ích cho bác sĩ để định vị khối u trước phẫu thuật.
• Chụp hình ruột dùng thuốc cản quang tuyến barium: ngày nay chụp CT đại tràng thường được dùng thay xét nghiệm này.

Để chuẩn bị cho nội soi đại tràng và chụp CTđại tràng, yêu cầu phải chuẩn bị kỹ cho ruột.

• Chụp cộng hưởng từ (MRI): MRI sử dụng từ trường, không phải X-ray, MRI có thể dùng để đo kích cỡ của khối u. Chất nhuộm đặc biệt, có tên là chất cản quang, được đưa cho bệnh nhân trước khi scan để tạo ra hình ảnh rõ nét hơn, có thể được tiêm vào tĩnh mạch của bệnh nhân hoặc uống bằng dạng viên hoặc nước. MRI là loại xét nghiệm bằng hình ảnh tốt nhất để xác định vị trí khối u đang phát triển.
• Siêu âm: Siêu âm cũng có thể dùng để quan sát gan, nhưng sử dụng chụp CT hoặc MRI có thể tìm ra khối u trong gan một cách hiệu quả hơn
• Chụp X-quang ngực: Chụp X-quang ngực có thể tìm ra khối u trong trường hợp đã lan đến phổi.
• Chụp cắt lớp phát xạ Positron (PET) hoặc chụp PET-CT: chụp PET thường kết hợp với chụp CT, gọi là chụp PET-CT, nhưng bác sĩ thường gọi chung là chụp PET. Một lượng nhỏ đường phóng xạ được tiêm vào cơ thể bệnh nhân. Do tế bào ung thư thường liên tục phải sử dụng năng lượng, chúng sẽ càng hấp thu chất phóng xạ này.  Chụp PET thường không được dùng thường xuyên đối với bệnh nhân ung thư đại trực tràng, nhưng có thể được dùng trong vài trường hợp nhất định.

• Xét nghiệm máu định kỳ: bao gồm cả xét nghiệm công thức máu toàn bộ, xét nghiệm chức năng gan và chức năng thận.
• Xét nghiệm chỉ điểm khối u CEA: Tế bào ung thư đại trực tràng có thể sản sinh ra yếu tố CEA và yếu tố này có thể được định lượng bằng xét nghiệm máu. Tuy nhiên, không phải khối u đại trực tràng nào cũng sản sinh ra CEA và số lượng của CEA cũng có thể tăng trưởng trong một vài loại ung thư và bệnh không ác tính khác. Do đó CEA không phải là một xét nghiệm sàng lọc hữu ích đối với ung thư đại trực tràng. Đối với bệnh nhân có số lượng CEA cao khi được chẩn đoán với ung thư đại trực tràng, xét nghiệm CEA có thể hữu dụng cho việc phân tích tiến triển* của bệnh và theo dõi sau khi điều trị.
  

Bằng cách sử dụng kính hiển vi để soi mô lấy từ quá trình sinh thiết hoặc để soi polyp lấy từ nội soi. Thông tin từ việc khám nghiệm mô bệnh sẽ được dùng để xác nhận chẩn đoán ung thư đại trực tràng và sẽ cho thêm thông tin về đặc tính của khối u. 

Nếu phẫu thuật cắt bỏ được tiến hành, cần phải khám nghiệm thêm cả hạch bạch huyết và những cơ quan đã bị khối u xâm lấn được cắt bỏ trong quá trình phẫu thuật. Việc khám nghiệm những khối u di căn có thể cũng sẽ cần thiết. Khám nghiệm mô bệnh là một phần của quá trình chẩn đoán, gọi là đánh giá giai đoạn ung thư. Ở quá trình này, bác sĩ sẽ xác định xem mức độ xâm lấn của khối u sang các cơ quan khác hay đã di căn. Đánh giá giai đoạn ung thư cho phép bác sĩ định hướng được phương pháp điều trị tối ưu nhất.