Η ακτινοβολία είναι άλλη μια επιλογή για την καταστροφή των καρκινικών κυττάρων. Ακτινοθεραπεία ή ακτινοβολία (ακτίνες Χ ράδιο ), καλείται η χρήση ιοντίζουσας ακτινοβολίας για την θανάτωση των καρκινικών κυττάρων και την μείωση του μεγέθους του όγκου. Προκαλεί καταστροφή των κυττάρων στο πεδίο ακτινοβόλησης, μέσω βλάβης του γενετικού υλικού ώστε να καταστεί αδύνατη η περαιτέρω ανάπτυξη και κυτταρική διαίρεση. Εφαρμόζεται σε περιοχές του σώματος η εισάγεται στον καρκινικό όγκο με μορφή βελόνων, ή προσλαμβάνεται εκλεκτικά το ραδιενεργό ισότοπο στο πάσχον όργανο.

Η συνήθης ακτινοθεραπεία χορηγείται μια φορά την ημέρα και διαρκεί συνολικά 4-8 εβδομάδες. Η ακτινοθεραπεία είναι η πρώτη μη χειρουργική θεραπευτική μέθοδος κατά του καρκίνου. Η χρησιμοποίηση της μετά την ανακάλυψη των ακτίνων Χ και του ραδίου (1896-1898 αντίστοιχα), διεύρυνε το θεραπευτικό οπλοστάσιο της ιατρικής, χαρίζοντας μεγαλύτερες επιβιώσεις ή ιάσεις αλλά και καλύτερη ποιότητα ζωής.  Η ακτινοθεραπεία ονομάζεται επίσης ραδιοθεραπεία, θεραπεία με ακτίνες Χ, θεραπεία με κοβάλτιο ή ακτινοβόληση, μπορεί να αποτελεί ένα μέρος της θεραπευτικής αγωγής ή να είναι η μοναδική μορφή θεραπείας.

Η ακτινοβολία επηρεάζει μόνο τα καρκινικά κύταρα που βρίσκονται στην περιοχή του σώματος (πεδίο) που δέχεται την ακτινοβολία.  Η ακτινοθεραπεία χρησιμοποιείται μερικές φορές για να συρρικνώσει έναν καρκινικό όγκο πριν την εγχείρηση ή για να καταστρέψει τα εναπομείναντα καρκινικά κύτταρα μετά την εγχείρηση σε συνδυασμό με αντικαρκινικά φάρμακα ή μόνη της. Η ακτινοθεραπεία είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική σε συγκεκριμένους τύπους τοπικών καρκίνων, όπως είναι οι κακοήθεις όγκοι των λεμφαδένων ή των φωνητικών χορδών.

Όπως και με την εγχείρηση, η ακτινοθεραπεία δεν είναι συνήθως θεραπευτική αν τα καρκινικά κύτταρα έχουν εξαπλωθεί σε ολόκληρο το σώμα ή εκτός του πεδίου της ακτινοβολίας. Μπορεί να συνεχιστεί, ακόμα κι αν δεν είναι πιθανή η πλήρης ίαση, για να μειώσει τα σημεία και τα συμπτώματα που προκαλεί ο καρκίνος, όπως είναι η πίεση, ο πόνος και η αιμορραγία. Σε γενικές γραμμές η ακτινοβολία προκαλεί λιγότερες σωματικές παραμορφώσεις σε σχέση με τη ριζική εγχείρηση, αλλά μπορεί να έχει έντονες παρενέργειες, όπως ερεθισμό ή σκλύρηνση του δέρματος, δυσκολία στην κατάποση, ξηροστομία, ναυτία, διάρροια, τριχόπτωση και καταβολή.

Η σοβαρότητα και η έκταση αυτών των παρενεργειών εξαρτάται από το μέρος που γίνεται και την ποσότητα της ακτινοβολίας που χρησιμοποιείται.