Le principe du traitement est de placer des sources radioactives à l'intérieur ou au contact direct des tumeurs à traiter, sous anesthésie locale ou générale. On utilise pour cela des fils guidés par de petits tubes de plastique, des aiguilles, des grains ou des moulages pour les organes creux.

On distingue différents types de curiethérapies selon la tumeur concernée :

• L'endocuriethérapie ou curiethérapie intersticielle : les sources (généralement des fils d'iridium) sont placées à l'intérieur des tissus à irradier (peau, lèvre, sein, langue, anus, prostate, etc.).
• La curiethérapie de contact ou endocavitaire ou plésiocuriethérapie : les sources sont placées dans une cavité naturelle et au contact de la tumeur (vagin, utérus, nasopharynx, par exemple).
• Lorsque la cavité est un conduit de petit diamètre, on parle de curiethérapie endoluminale (oesophage, bronche, canal biliaire).
• La curiethérapie métabolique consiste à administrer des substances radioactives en solution liquide (par voie orale ou intraveineuse) qui vont se fixer préférentiellement dans le tissu visé (thyroïde).
• Une voie de recherche originale est l'immunocuriethérapie qui consiste à accrocher une substance radioactive à un anticorps monoclonal : ce dernier se comporte comme un «missile à tête chercheuse » visant les cellules cancéreuses qui seront irradiées et détruites électivement par la substance radioactive, ainsi concentrée à leur contact.

Ces techniques sont toujours encadrées par une dosimétrie précise (le plus souvent informatisée) qui vise à déterminer rigoureusement les doses d'irradiations reçues par le tissu sain et par le tissu tumoral et à calculer le temps d'implantation.