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폐암의 원인은 다른 장기의 암에 비해 잘 알려진 편이다. 폐암의 95％는 숨쉴 때 들이마시는 공기 속에 들어 있는 발암물질에 의한 것이며 나머지 5％는 발병원인을 확실히 알 수 없는 경우이다. 흡연은 폐암의 가장 흔한 원인으로 완전히 예방 가능하다는 점에서 중요하다.

대체로 폐암으로 인한 사망원인 중 남성의 94％, 여성의 78~80％가 흡연이 그 원인이다. 담배 속에는 현재까지 증명된 것만도 약 20여 종의 발암물질이 들어 있다. 비흡연자에 비해 흡연자는 흡연량에 따라 15~64배 정도로 폐암 발생률이 높고, 지역이나 국가 단위로는 20~30년 전의 담배소비량과 현재의 폐암발생률이 비례한다고 알려져 있다. 필터가 있거나 타르(tar)의 함량이 낮은 담배를 피우면 폐암 발생률이 낮아지고, 오래 피우면 피울수록, 흡연 시작 연령이 낮을수록, 꽁초의 길이를 짧게 남길수록, 담배연기를 깊이 들이마실수록 폐암 발생률이 높아진다. 여송연이나 파이프 담배를 피우는 경우는 궐련을 피우는 경우보다 폐암 발생률이 낮다. 담배를 피지 않으면 발생률은 감소하는데, 하루 1갑 미만의 흡연자는 금연하면 10년 후에는 비흡연자와 폐암 발생률이 같아진다. 그러나 하루 1갑 이상의 흡연자는 금연 10~20년 후에도 비흡연자보다 폐암 발생률이 2.5배나 높다. 다른 사람이 피운 담배연기를 들이마신 경우에도 폐암 발생률은 증가하며 흡연자의 배우자는 비흡연자보다 폐암 발생률이 1.4~1.9배 더 높다.

흡연 이외의 원인으로는 대기오염을 들 수 있다. 도시 거주자가 시골 거주자에 비해 폐암 발생률이 높다는 보고가 있다. 직업병으로서는 비소·석면·니켈·우라늄·클로로메틸에테르 등을 다룰 때 폐암 발생률이 높아진다.

이런 물질의 발암작용은 대부분 흡연에 의해서 증가한다. 이런 물질 중 일부를 취급하는 경우에도 흡연하지 않는 사람은 이런 물질을 다루지 않는 비흡연자와 큰 차이가 없는 경우가 많으나, 흡연하는 경우에는 일반 흡연자에 비해 더욱 높아진다. 기타 유전적 원인이나 비타민 A 결핍증 등이 폐암의 원인으로 생각되고 있으나 확실하지 않다.