Ionisierende Strahlung kann Zellen schädigen und abtöten. Die kleinste funktionsfähige Einheit jedes lebenden Organismus – und auch jedes Tumors – ist die Zelle. Die Zellen unseres Körpers sind aber an kleine Mengen von Strahlung gewöhnt, da diese dauernd auf uns trifft. Wird allerdings eine bestimmte Menge überschritten, können die Zellen die von den Strahlen verursachten Schäden nicht mehr vollständig reparieren.
Gut ist dabei, dass Krebszellen weniger Strahlung vertragen als gesunde Körperzellen. Ihre „Reparaturgrenze“ ist meistens relativ niedrig. Wird die Strahlenmenge also richtig "portioniert" (fachlich: fraktioniert), können die Strahlen erfolgreich zur Krebsbehandlung eingesetzt werden. Die Krebszellen werden abgetötet, aber das gesunde Gewebe kann sich vollständig erholen. Oft bietet eine Bestrahlung auch eine Alternative zur Operation und ist schonender als eine große Operation.
Die Hauptwirkungen der Stahlenbehandlung besteht also in der Verzögerung oder sogar Verhinderung der Zellteilung, wobei Tumorzellen in sehr viel größerem Ausmaß abgetötet werden als die Zellen des gesunden Gewebes, das sich wieder erholen und regenerieren können. Die Strahlenbehandlung ist bezogen auf den Ort der Bestrahlung im Allgemeinen wirksamer als eine Chemotherapie. Letztere erfasst den ganzen Körper.
Deshalb wird die Strahlentherapie als "lokale" Behandlung meist als alleinige Methode oder zusätzlich nach operativer Entfernung des Primärtumors eingesetzt, während die Chemotherapie als "systemische" Behandlung bei soliden Tumoren zur Anwendung kommt, wenn sich bereits zahlreiche Tochtergeschwülste („Metastasen“) in diversen Organen gebildet haben.
Die Bestrahlung kann auch in einigen Situationen noch eine Heilung erreichen, in denen eine Beherrschung der Krankheit durch Operation und/oder Chemotherapie gar nicht mehr möglich ist.