Η ακτινοθεραπεία καταστρέφει τα καρκινικά κύτταρα στην περιοχή υπό θεραπεία βλάπτοντας το DNA των κυττάρων τους. Με τον τρόπο αυτό καταστρέφονται τα καρκινικά κύτταρα ή οδηγούνται σε θάνατο από τις βλάβες του γενετικού υλικού που προκαλεί η ακτινοβολία, περιορίζοντας δραστικά την ικανότητά τους να αναπτυχθούν και να αναπαραχθούν, χάνουν δηλαδή την ικανότητα του πολλαπλασιασμού. Κατά την ακτινοθεραπεία αναπόφευκτα επηρεάζονται και οι γειτονικοί στα καρκινικά κύτταρα υγιείς ιστοί, ωστόσο, αυτοί έχουν τη δυνατότητα να επιδιορθώνουν τις βλάβες καλύτερα από τα καρκινικά κύτταρα.

Με τις σύγχρονες τεχνικές, όπως αυτές της ακτινοχειρουργικής ή της στερεοτακτικής ακτινοθεραπείας σώματος θεωρείται πλέον ότι πέραν των βλαβών που επέρχονται απευθείας στο DNA, προκαλείται και άμεσος κυτταρικός θάνατος λόγω αγγειακών βλαβών στους όγκους. Αυτό σημαίνει ότι ο εκτεταμένος έμμεσος θάνατος των καρκινικών κυττάρων
μπορεί να προκαλέσει σημαντικές αντιδράσεις στο μικροπεριβάλλον του όγκου αλλά και το σώμα που μπορεί να οδηγήσουν σε περαιτέρω θάνατο των κυττάρων του όγκου. Επίσης στην εποχή των στοχευμένων αντιογενετικών,  αντιαγγειακών και ανοσοτροποιποιητικών θεραπειών η δράση τους αποκτά μεγάλο ενδιαφέρον.

Το θεραπευτικό πλάνο του ασθενούς είναι εντελώς εξατομικευμένο. Η θεραπεία στοχεύει στο να επιφέρει «βλάβη» στον καρκινικό κύτταρο με μια υψηλή δόση ακτινοβολίας αλλά ταυτόχρονα, όσο το δυνατόν μικρότερη δόση στα περιβάλλοντα υγιή κύτταρα. Τα υγιή κύτταρα μπορούν στη συνέχεια να επιδιορθωθούν. Στόχος λοιπόν της ακτινοθεραπείας είναι η χορήγηση υψηλής δόσης ακτινοβολίας δίνοντας τη μεγαλύτερη ευκαιρία για τη θεραπεία ή τη συρρίκνωση του όγκου, με παράλληλη μείωση του κινδύνου παρενεργειών. Όσο πιο προηγμένη είναι η τεχνολογία – μηχάνημα, «εργαλείο» που χρησιμοποιείται, τόσο πιο επιτυχής είναι στο σκοπό της.