Klassiek fase 3 onderzoek is grootschalig vergelijkend onderzoek om na te gaan of een nieuwe behandeling voor longkanker beter is dan de bestaande behandeling. Hiervoor zijn grote aantallen (meerdere honderden) patiënten nodig. Dit onderzoek is gerandomiseerd, d.w.z. dat de patiënt lotsgewijze wordt toegewezen aan ofwel de nieuwe behandeling ofwel de standaardbehandeling. Soms is het onderzoek ook dubbel-blind, d.w.z. dat noch de patiënt, noch de arts, weten welke behandeling de patiënt krijgt. De bedoeling hiervan is op een zo objectief mogelijke manier na te gaan of de nieuwe behandeling inderdaad even goed of zelfs beter is dan de bestaande behandeling. Door vergelijking van de uiteindelijke resultaten zal na enkele jaren blijken welke behandeling de beste resultaten en/of de minste bijwerkingen heeft. Als dit gunstig uitvalt, wordt de onderzoeksbehandeling de nieuwe 'standaard'.

Sommige biomerker gedreven tumoren zijn zo zeldzaam dat grootschalig fase 3 onderzoek niet langer haalbaar is. Als echter uit biomerker gedreven fase 1 en fase 2 onderzoek (zie aldaar) blijkt dat de doelgerichte behandeling van tumoren met deze biomerker erg effectief is, worden nieuwe geneesmiddelen voor deze zeldzame vormen van longkanker door de autoriteiten erkend zonder dat er nog fase 3 onderzoek vereist is.