V léčbě karcinomu plic 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 (non-small cell lung cancer, NSCLC) ve stadiu I je metodou volby stereotaktická radioterapie, která umožňuje lokální kontrolu ve více než 80 % po třech letech. Pooperační radioterapie je vhodná v případě postižení mediastinálních uzlin.
U lokálně pokročilého inoperabilního NSCLC je standardem léčby 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 s "limited disease" nejúčinnější konkomitantní chemoradioterapie, se začátkem ozařování nejpozději od třetího cyklu chemoterapie.
Radioterapie se doporučuje i ve stadiu "extensive disease" 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 vyšetření magnetickou rezonanc í a včasnou léčbu v asymptomatickém stadiu.
U NSCLC snižuje preventivní ozáření podíl nemocných s rozvojem metastáz v mozku z 30 % na 8 %, ale prodloužení přežití nebylo prokázáno.