La radiothérapie utilise des rayonnements de très haute énergie qui perturbent la multiplication des cellules et finissent par les détruire. Tous les tissus peuvent être touchés à des degrés divers, mais ce sont les organes à fort taux de renouvellement cellulaire qui y sont particulièrement sensibles. La plupart des cancers présentent une intense prolifération cellulaire, d'où leur sensibilité aux rayons. Des mécanismes de réparation moins efficaces dans les cellules cancéreuses que dans les cellules saines font que les dégâts s'accumulent davantage au sein de la tumeur. Ceci explique que le traitement parvienne à détruire le cancer, tout en permettant aux tissus sains de se maintenir en vie.

L'irradiation est très souvent émise par des accélérateurs linéaires de particules (radiothérapie externe). Une autre technique consiste à mettre des substances radioactives au contact direct de la tumeur (curiethérapie).

L' effet biologique des rayons dépend de la dose délivrée à un volume donné: plus une tumeur sera de grande taille, plus elle contiendra de cellules et plus la dose nécessaire pour la détruire sera élevée.

Enfin, le fractionnement des irradiations en une série de séances espacées de plusieurs heures ou d'une journée est à la base de l'efficacité des irradiations.

Dans la zone irradiée, les rayons peuvent endommager les tissus sains : leur tolérance varie d'un organe à l'autre, mais, en règle générale, le risque d'effets secondaires augmente avec la dose délivrée et les volumes irradiés.