방사선 치료는 비소세포폐암의 1기, 2기, 3기에서 병의 완치를 목표로 해서 사용되며, 소세포폐암의 제한성 병기에서 근치적 목적으로 항암화학요법과 함께 방사선 치료를 받는다. 재발 혹은 전이 암에서는 증상을 완화시키기 위해 방사선 치료를 받는다

제한성 병기의 소세포폐암은 진단당시부터 폐에 보이는 병변 이외에도 잘 보이지 않는 미세전이가 있을 가능성이 높기 때문에 항암화학요법과 흉부 방사선 치료를 병용하는 것이 원칙이다. 하지만 이 방법은 항암화학요법이나 방사선 치료를 각각 따로 사용하는 것보다 좀 더 심한 부작용이 생길 수 있는데, 대표적으로 골수억제로 인한 면역력저하, 식도염, 방사선 폐렴 등이 더욱 심해지는 것으로 알려져 있다.

소세포성 폐암환자의 약 10%에서 내원 시 뇌 전이를 동반하고 있으며, 치료 후 생존환자 중 많은 경우에 뇌 전이를 나타낸다. 따라서 예방적으로 전뇌 방사선 치료가 시도되어 왔으며, 이로 뇌 전이를 크게 낮출 수 있다.

폐암에서 방사선 치료는 수술이 적용되는 초기 비소세포폐암의 경우에 수술 전후 보조적인 요법으로 사용되고 있으며, 수술이 불가능한 진행성 병기의 비소세포폐암 혹은 소세포폐암의 경우에는 근치적 목적으로 항암화학요법과 함께 사용되고 있다. 최근에 수술이 불가능하지만 원격 전이가 없는 폐암 환자의 경우, 방사선 치료와 항암화학요법의 동시치료를 시행하지만 항암화학요법이나 방사선 치료를 각각 따로 사용하는 것보다 좀 더 심한 부작용이 생길 수 있다.