NSE, obecna przede wszystkim w komórkach układu nerwowego i neuroendokrynnego, może być wykrywana także w komórkach nowotworowych, takich jak neuroblastoma, glejaki, rak drobnokomórkowy płuc oraz grasicy. W wyniku nekrozy tych komórek może być biernie uwalniana do krwiobiegu. W kontekście raka drobnokomórkowego płuc, NSE jest markerem z wyboru, a jego stężenie może wzrosnąć u 40 do 90% chorych, zależnie od stopnia zaawansowania choroby. Ponadto, dynamika zmian stężenia NSE w trakcie terapii stanowi istotny wskaźnik odpowiedzi na leczenie.

Stosując oznaczenie NSE, można również dokonywać diagnozy, prognozowania, oceny zaawansowania choroby oraz oceny podatności na terapię w przypadku niektórych nowotworów mózgu, takich jak zwojak u dzieci, a także różnicować je z innymi nowotworami. Nieznaczny wzrost stężenia NSE w surowicy może być obserwowany w przypadku nienowotworowych chorób płuc i wątroby, urazów głowy, zapalenia opon mózgowych, zawale mózgu, krwotoku podpajęczynówkowym oraz w szoku septycznym. Dodatkowo, może być zauważany u pacjentów z rakiem nerki, prostaty lub nasieniaka jądra.