Serum PSA adalah penanda spesifik untuk kanker prostat dan berguna dalam diagnosis kanker prostat tanpa gejala awal. Biasanya, PSA adalah protease serin yang diproduksi oleh epitel prostat, suatu glikoprotein yang disekresikan langsung ke dalam sistem duktus prostat. Fungsi normalnya adalah untuk membantu hidrolisis dan pencairan gumpalan air mani dan berhubungan dengan kesuburan pria. Penghalang epitel darah ada di sekitar sistem duktus prostat normal, mencegah PSA yang diproduksi oleh epitel prostat memasuki aliran darah secara langsung, sehingga mempertahankan konsentrasi PSA yang rendah dalam darah. PSA serum kurang dari 4,0 ng/ml umumnya dianggap normal, sedangkan PSA lebih dari 10 ng/ml meningkatkan risiko pengembangan kanker prakanker. Ketika kanker berkembang di prostat, penghalang epitel darah rusak dan lebih banyak PSA disekresikan oleh kanker, yang mengakibatkan PSA memasuki aliran darah secara langsung. Standar emas untuk kondisi bebas tumor setelah prostatektomi radikal adalah nol PSA. Karena hampir semua PSA dalam serum diproduksi oleh epitel prostat, jika semua jaringan prostat diangkat selama operasi kanker prostat radikal, PSA dalam serum akan turun menjadi nol dalam waktu 1 bulan jika tumor diberantas. Waktu paruh PSA dalam serum pasien setelah operasi kanker prostat adalah 33 jam. Menurut perhitungan ini, jika pasien memiliki PSA sebelum operasi sebesar 20ng/ml, PSA seharusnya tidak terdeteksi 12 hari setelah operasi; jika 10ng/ml sebelum operasi, maka dibutuhkan waktu 10 hari; dan jika 4ng/ml sebelum operasi, maka dibutuhkan waktu 8 hari. PSA serum juga dapat meningkat pada lesi prostat yang tidak ganas: radang prostat, hiperplasia prostat, retensi urin akut, dan pemijatan prostat dapat meningkatkan PSA, tetapi dapat menjadi normal kembali bila faktor penyebabnya dihilangkan. Serum PSA dapat meningkat 1 kali lipat setelah pemeriksaan rektal, 4 kali lipat setelah sistoskopi, dan 53-57 kali lipat setelah biopsi pungsi prostat atau elektrodeseksi transuretra pada prostat. Ejakulasi dalam keadaan normal juga dapat meningkatkan PSA. Untuk alasan ini, pengujian PSA tidak boleh dilakukan sampai satu minggu setelah pemeriksaan colok dubur dan setidaknya 6 minggu setelah biopsi dan pungsi prostat. Peningkatan PSA yang disebabkan oleh kanker bersifat menetap dan terus meningkat seiring dengan perkembangan tumor. Selain PSA, terdapat prostatic acid phosphatase (PAP), enzim yang disekresikan oleh kelenjar prostat. Pada kasus normal, PAP jarang masuk ke dalam aliran darah; pada kanker prostat, sel-sel ganas memproduksi PAP dan masuk ke dalam aliran darah. Nilai normal untuk PAP serum adalah kurang dari 3,5 ng/ml. Saat ini diperkirakan bahwa PAP memiliki peran yang terbatas, tetapi dianggap sebagai prediktor independen lain dari kegagalan pengobatan setelah kanker prostat radikal, meskipun tidak dapat memprediksi stadium dan organ di sekitarnya. Prostate specific photase (PSP) dan prostate-specific membrane antigen (PSMA), karena ekspresi PSMA pada sel epitel kanker prostat tidak terpengaruh oleh tingkat diferensiasi sel tumor dan tetap tinggi setelah pengangkatan. Mendeteksi PSP dan PSMA lebih bermakna daripada PSA atau PAP, dan indeks ini memiliki nilai klinis untuk diagnosis dini, kekambuhan, dan perkembangan kanker prostat.