Es una de las técnicas más importantes utilizadas para el tratamiento del cáncer, junto con la cirugía y la quimioterapia. La técnica se basa en depositar en la zona del tumor una dosis de radiación tal que logre destruir las células cancerosas y, al mismo tiempo, evitar que esa radiación dañe los tejidos sanos circundantes. Las técnicas modernas han hecho evolucionar los tratamientos rápidamente. Cada pocos años es posible seleccionar con mayor precisión las zonas a tratar y mejorar la forma de suministrar la dosis. Como consecuencia directa mejoran los resultados, vistos como la probabilidad de curación y también como la posibilidad de continuar con una buena calidad de vida luego del tratamiento. Como en toda exposición a la radiación, existe la posibilidad estadística de efectos a largo plazo, ya que la misma radiación que cura es la que puede inducir la enfermedad. Esto en general no ocurre, y además siempre se considera una relación riesgo/beneficio en la cual este último es claramente mayor. Para concentrar el haz de radiación en la zona de interés y disminuir la irradiación del tejido sano se aplican diferentes técnicas simultáneamente. Por ejemplo: usar filtros apropiados, enfocar el haz de radiación desde varios ángulos convenientemente seleccionados, disponer de un tomógrafo acoplado al equipo para detectar eventuales cambios anatómicos sucedidos en el transcurso del tratamiento, etcetera. Las nuevas técnicas requieren el uso de tecnologías y de conocimientos muy avanzados por parte de radioterapeutas y físicos médicos, y en general los países subdesarrollados deben hacer un gran esfuerzo en la formación de sus profesionales para poner estas nuevas posibilidades al alcance de la población.

Los tratamientos de radioterapia se realizan comúnmente con haces de radiación externa, ya sea con rayos X de alta energía, o electrones acelerados en equipos conocidos como aceleradores lineales, o con fuentes de radiación gamma como el cobalto 60.

Cuando se emplean haces de protones, neutrones o incluso haces de núcleos de carbono u oxígeno, el tratamiento recibe el nombre de radioterapia con iones pesados. Hace más de una década que se ha demostrado que este tipo de radioterapia es sumamente eficaz en el tratamiento de cánceres profundos.

En algunos tipos de cánceres es posible introducir el emisor de radiación— en forma encapsulada— en la zona del tumor, de manera que libera la radiación en una zona cercana al lugar donde es colocado a este método se lo conoce como braquiterapia.

Hasta hace unas décadas los equipos de radioterapia consistían principalmente en una fuente del radioisótopo cobalto 60, debidamente blindada, que proporciona rayos gamma provenientes de sus productos de decaimiento.
El cobalto 60 tiene una vida media de 5,27 años, por lo cual al cabo de ese tiempo la fuente tiene la mitad de su actividad inicial.

Actualmente estas máquinas están siendo desplazadas por los aceleradores lineales, que pueden producir rayos X y electrones en un rango de energía muy amplio. Las unidades de cobalto, si bien son mucho más simples, no permiten las enormes posibilidades que ofrecen los aceleradores lineales para la eficacia en los tratamientos oncológicos.