Otro enfoque principal del diagnóstico molecular observa más allá de los genes, hacia una investigación del proteoma. El término "proteoma" se refiera a todas las proteínas producidas por una célula, y el estudio de estas proteínas es la proteómica. La proteómica del cáncer está permitiendo el mapeo de los patrones de proteínas involucrados cuando los mecanismos celulares normales son secuestrados en apoyo del crecimiento maligno. En el tejido canceroso, algunas de las proteínas críticas para la comunicación normal están dañadas, inactivas, hiperactivas o perdidas por completo. El juego completo de proteínas desordenadas y dominantes trabajando para interrumpir las comunicaciones celulares puede variar de un tipo de cáncer a otro. Ellas también pueden variar algo de un paciente a otro dentro de un mismo tipo de cáncer.