O objetivo do presente estudo foi comparar os diagnósticos de lesões de cárie oclusal de molares decíduos obtidos in vivo e in vitro, a partir da inspeção visual associada à radiografia interproximal e avaliar in vivo e in vitro a efetividade destes exames para a detecção de lesões de cárie na superfície oclusal de molares decíduos. A amostra foi constituída de 52 molares decíduos superiores e inferiores. Os pacientes foram radiografados com posicionadores que possuíam os registros das mordidas em acrílico dos dentes posteriores aos dentes que seriam examinados. Moldagens dos hemiarcos foram obtidas com silicona de adição. O exame visual associado ao radiográfico da superfície oclusal dos molares decíduos foi realizado. Os dentes foram extraídos e posicionados nas moldagens para obtenção de modelos de gesso simulando as condições in vivo. Os posicionadores com as mordidas em acrílico foram novamente utilizados para as radiografias in vitro. O exame clínico associado ao radiográfico foi repetido in vitro pelo mesmo examinador, depois de em média 120 dias. Os dentes foram avaliados no estereomicroscópio para a obtenção dos diagnósticos definitivos. Através do teste de Wilcoxon, não foram observadas diferenças estatisticamente significantes entre os exames in vivo e in vitro (p = 0,356). Nas análises de todas as lesões, a sensibilidade foi de 0,95 in vivo e in vitro e a especificidade foi de 0,75 in vivo e 1 in vitro. Quando apenas as lesões em dentina foram validadas, a sensibilidade foi de 0,80 in vivo e in vitro e a especificidade foi de 0,77 in vivo e 0,83 in vitro. Assim, os resultados confirmam que os estudos de diagnóstico de cárie em condições laboratoriais são viáveis e possuem aplicabilidade clínica. Os exames associados foram considerados efetivos na detecção de lesões de cárie na superfície oclusal de molares decíduos in vivo e in vitro.