Rak śródnabłonkowy może być niekiedy rozpoznany za pomocą badania cytologicznego, nie można jednak stwierdzić z pewnością, że zmiana nie przekroczyła błony podstawnej. Za rakiem naciekającym przemawia bardziej zaznaczona wielopostaciowość komórek. Na ogół w raku śródnabłonkowym komórki nabłonka złośliwego są podobne do prawidłowych komórek przypodstawnych, zgrupowanych w małe wysepki lub leżących pojedynczo. Stosunek jądrowo-plazmatyczny jest jednolity, brak wahań, występujących w raku naciekającym. Komórki posiadają mniejszą ilość cytoplazmy, jądra są nieco większe niż w komórkach prawidłowych w warstwie przy podstawnej, przy czym istnieją niewielkie różnice w ich wielkości. Może występować nadbarwliwość, chromatyna wydaje się nieco obfitsza niż zwykle, a ziarnistości są grubsze. Błona podstawna jest wyraźna. Istnieją niekiedy komórki dwujądrowe, brak jednak wielojądrzastych, występujących w raku inwazyjnym.
Uwzględniając wyżej powiedziane, należy szczególną uwagę zwrócić na te komórki, aby nie pomylić ich z komórkami atypowymi lub dysplastycznymi warstwy przypodstawnej. W miarę możliwości trzeba także wykonać rozpoznanie różnicowe z rakiem naciekającym. Dokładne rozpoznanie można postawić wyłącznie na podstawie badania histologicznego, badanie cytologiczne ma jednak to wielkie znaczenie, że zwraca uwagę na istnienie podejrzanej zmiany na szyjce. Nuovo, po wykonaniu 56 688 badań cytologicznych, wykrył 160 raków śródnabłonkowych (4%), z których 147 zostało potwierdzone histologicznie. W 23 przypadkach rozpoznanie histologiczne wahało się pomiędzy rakiem śródnabłonkowym prawdopodobnym a dysplazją podejrzaną o ewolucję w kierunku raka śródnabłonkowego.