放射优先破坏快速分裂的细胞。通常指癌细胞，但放射也损伤正常组织，特别是那些正常情况下增殖快的组织，如皮肤；毛囊；肠道、卵巢、或睾丸上皮；以及骨髓。准确地讲，放疗的目的是尽可能保护正常细胞。
供氧足够的细胞对放疗损伤更敏感。越靠近大肿块中央的细胞血供差和含氧少。当肿块缩小，存活下来的细胞获得好的血供，下一次放射剂量更易损伤它们。将放射剂量分割成一系列剂量通过延长治疗时间提高对肿瘤细胞致死作用，并减少对正常细胞的毒性作用。在接触放射之后，细胞有能力修复自身；治疗计划目的是最大程度地使正常组织细胞修复。
放射治疗通常用一种叫直线加速器的装置来完成。射线非常接近地指向肿瘤。射线对正常组织有多大的副影响取决于多大的面积被放射和接近组织的程度。例如，头颈部肿瘤的放疗常引起鼻和口腔粘膜的炎症，导致疼痛和溃疡。对胃或腹部的放疗常引起胃的炎症(胃炎)和低位肠道的炎症(肠炎)，导致腹泻。
放疗在治愈很多癌症方面起关键作用，包括霍奇金病、早期非霍奇金淋巴瘤、头颈部鳞癌、精原细胞瘤(一种睾丸癌)、前列腺癌、早期乳腺癌、早期肺小细胞肺癌和神经管细胞瘤(一种大脑或脊髓肿瘤)。对早期喉癌和前列腺癌，用放疗与手术治愈率基本一致。
当治愈不可能时放疗可减轻症状，如多发性骨髓瘤和晚期肺癌、食管癌、头颈癌、胃癌。放疗也可缓解因转移至骨或大脑引起的症状。
单用放疗可能治愈的早期癌
| 癌症部位 | 5年无瘤生存率（%） |
| 乳腺（妇女） | 29 |
| 宫颈 | 60 |
| 霍奇金病 | 71～88 |
| 肺 | 9 |
| 副鼻窦 | 35 |
| 鼻咽 | 35 |
| 非霍奇金淋巴瘤 | 60～90 |
| 前列腺 | 67～80 |
| 睾丸（精原细胞瘤） | 84 |
| 咽 | 10 |
