O marcador tumoral de maior utilidade clínica desenvolvido até o momento é o PSA. Este é secretado no lúmen dos ductos prostáticos, estando presente em grandes concentrações no líquido seminal (aproximadamente2mg/mL). 

Aparentemente, teria a função de liquefazer o coágulo seminal. Muitos estudos demonstraram que o PSA é útil para o diagnóstico do câncer de próstata. Em geral, o valor preditivo positivo do PSA é de 20% em pacientes com valores ligeiramente elevados (entre 4,0ng/mL e 10,0ng/mL), e de 60% em pacientes com valores de PSA superiores a 10ng/mL. 

 A utilização do PSA é otimizada quando combinada ao exame de toque retal. Em estudos que investigaram o uso combinado do PSA e do exame de toque retal, observou-se que 18% dos tumores não teriam sido diagnosticados se o exame de toque retal não tivesse sido realizado, e que 45% dos tumores teriam passado despercebidos se o PSA não tivesse sido feito. 

Estudos mostraram que o ultra-som transretal pouco acrescenta ao PSA e ao exame de toque retal, quando estes dois são usados conjuntamente para o diagnóstico, devendo ser solicitado somente em caso de alteração de um dos dois exames. A medida do PSA é fundamental para o estadiamento do paciente com carcinoma de próstata. Vários estudos mostraram que cerca de 80% dos pacientes com concentração de PSA menor do que 4ng/mL possuem tumor restrito à próstata. 

Por outro lado, metade dos pacientes com PSA maior do que 10ng/mL apresentam extensão extra-capsular, e a maioria dos pacientes com PSA superior a 50ng/mL apresenta metástases para linfonodos pélvicos. Entretanto, exceto para valores extremos, o PSA não é suficientemente preciso para, de maneira isolada, estadiar o paciente. Espera-se que um paciente submetido à prostatectomia radical apresente PSA próximo a zero (até 0,2ng/mL) após o procedimento, já que toda a próstata teria sido removida. 

Vários estudos demonstraram que elevações dos níveis de PSA após a prostatectomia ocorrem meses a anos antes dos sinais clínicos de recorrência, indicando persistência da doença.