Le plus souvent, la curiethérapie nécessite une hospitalisation de deux à six jours dans un service spécialisé.

La mise en place des sources radioactives se fait en deux temps. On installe d'abord des tubes vecteurs creux (non radioactifs) dans les tissus. Lorsqu'ils sont parfaitement en place, on les charge avec les sources radioactives. Des radiographies de contrôle et des calculs informatisés permettent de connaître la distribution de la dose autour des sources radioactives et de calculer la durée d'application. Le patient reste pendant ce temps dans une chambre protégée. Il peut être relié à un appareil (projecteur) télécommandé qui permet de retirer les sources lors des visites faites dans la chambre, ce qui diminue l'irradiation du personnel et des visiteurs. Les visites sont toutefois déconseillées aux enfants en bas âge et aux femmes enceintes. A la fin du traitement, l'ablation du matériel radioactif et des vecteurs se fait simplement et n'est généralement pas douloureuse. Dès ce moment, le malade n'est plus porteur d'aucune radioactivité.

Dans le cas de tumeur peu ou pas agressive (certains cancers de la prostate, par exemple), on peut placer des implants permanents. Il s'agit de petits grains d'iode 125 ou de palladium 103 qui délivrent la dose nécessaire pour détruire les cellules cancéreuses et dont la radioactivité disparaît spontanément. La profondeur de pénétration de cette radioactivité dans les tissus du corps humain est très faible (quelques millimètres), ce qui explique qu'une personne porteuse de ce type de grains radioactifs ne présente pas de risque pour son entourage.

La curiethérapie peut être utilisée seule, ou en association avec une irradiation externe pour réaliser un surdosage localisé.