V léčbě plicního karcinomu je základní modalitou radioterapie, která má prokázaný léčebný prospěch v radikálních i paliativních indikacích až u 76 % všech nemocných. V České republice dlouhodobě nepřekračuje podíl nemocných s bronchogenním karcinomem léčených radioterapií 25 %.
V případě klinicky inoperabilního nemalobuněčného plicního karcinomu ve stadiu I je metodou volby stereotaktická radioterapie, která umožňuje lokální kontrolu až 90 % po třech letech a účinností je srovnatelná s operací, s lepší tolerancí. Pooperační radioterapie je vhodná v případě postižených mediastinálních uzlin.
U lokálně pokročilého inoperabilního NSCLC je standardem konkomitantní chemoradioterapie podávaná souběžně s chemoterapií založené na dvojkombinaci cytostatik obsahující platinový derivát, neosvědčila se paušální eskalace dávky nad 60 Gy/6 týdnů pro vzrůst toxicity s vyšším rizikem úmrtí. Zlepšení výsledků léčby přinášejí technické inovace, jako jsou radioterapie s modulovanou intenzitou svazku, radioterapie řízená obrazem nebo sledování dýchacích pohybů v čase.
Jednoznačný přínos léčby protonovým svazkem nebyl zatím prokázán. U malobuněčného karcinomu je ve stadiu limited disease nejúčinnější konkomitantní chemoradioterapie, se začátkem ozařování nejpozději od třetího cyklu chemoterapie, v dávce 66 Gy/33 frakcích nebo hyperfrakcionace 2* denně po dobu tří týdnů do dávky 45 Gy.
Radioterapie se doporučuje i ve stadiu extensive disease (ED) jako konsolidační léčba po chemoterapii při velmi dobré léčebné odpovědi. V léčbě malobuněčných karcinomů je standardně doporučováno preventivní ozáření mozku, i když studie z poslední doby jako alternativu uvádějí pečlivé a časté sledování pomocí magnetické rezonance a včasnou léčbu v asymptomatickém stadiu.
U nemalobuněčného plicního karcinomu snižuje preventivní ozáření podíl nemocných s rozvojem metastáz v mozku z 30 na 8 %, ale prodloužení přežití tím nebylo prokázáno.