रेडियोथेरेपी स्मॉल सेल और नॉन स्मॉल सेल दोनों प्रजाति के कैंसर में दी जाती है। रेडियेशन उपचार में शक्तिशाली एक्सरे या अन्य प्रकार के रेडियेशन द्वारा विकासशील कैंसर कोशिकाओं को मारा जाता है। रेडियोथेरेपी उपचारात्मक (Curative), प्रशामक (Palliative) या अन्य उपचार (शल्य या कीमो) के साथ सहायक उपचार के रूप दिया जाता है। रेडियेशन या तो बाहर से मशीन को कैंसर पर कैंद्रित करके दिया जाता है या रेडियोधर्मी पदार्थ से भरे छोटे से केप्स्यूल शरीर में कैंसर की गांठ के पास अवस्थित करके दिया जाता है। ब्रेकीथेरेपी में ब्रोंकोस्कोप द्वारा रेडियोधर्मी पदार्थ से भरे छोटे से पेलेट को कैंसर की गांठ में या पास की किसी श्वासनली में अवस्थित कर दिया जाता है। इसमें पेलेट से रेडियेशन छोटी सी दूरी तय करता है इसलिए यह आसपास के स्वस्थ ऊतकों को नुकसान बहुत कम करता है। ब्रेकीथेरेपी कैंसर का गाँठ को छोटा करने और श्वासनली में स्थित कैंसर के कारण उत्पन्न लक्षण के उपचार के लिए प्रचलित है। 
यदि रोगी शल्य-क्रिया के लिए मना कर देता है, उसका कैंसर लसिकापर्व या श्वासनली तक इतना फैल चुका है कि शल्य-क्रिया संभव ही नहीं है या किसी अन्य गंभीर रोग के कारण उसकी शल्य-क्रिया करना मुनासिब नहीं है तो उसे रेडियोथेरेपी दी जाती है। रेडियेशन जब मुख्य उपचार के रूप में दिया जाता है तो यह सिर्फ गांठ को छोटी करता है या उसके विकास को सिमित रखता है, जिससे रोगी कुछ समय तक स्वस्थ बना रहता है। 10%-15% रोगी लम्बे समय तक स्वस्थ जीवन जी लेते हैं। रेडियोथेरेपी के साथ कीमोथेरेपी भी दी जाती है तो जीने की आस थोड़ी और बढ़ जाती है। बाहर से दी जाने वाली रेडियोथेरेपी ओ.पी.डी.विभाग में दी जाती है, लेकिन आंतरिक रेडियोथेरेपी देने के लिए रोगी को एक या दो दिन के लिए भर्ती करना पड़ता है। यदि रोगी को कैंसर के अलावा कोई अन्य गंभीर फेफड़े का रोग है तो रेडियोथेरेपी नहीं दी जा सकती है क्योंकि फेफड़े की हालत और अधिक खराब होने का खतरा रहता है। एक विशेष तरह की गामा नाइफ नामक बाह्य रेडियोथेरेपी मस्तिष्क में एकाकी स्थलांतर कैंसर के लिए दी जाती है। इसमें सिर को स्थिर करके रेडियेशन के कई पुंजों को कैंसर पर केंद्रित करके कुछ मिनट या घन्टों के लिए रेडियेशन दिया जाता है। इसमें स्वस्थ ऊतकों को रेडियेशन की अपेक्षाकृत कम मात्रा मिलती है।

बाह्य रेडियेशन थेरेपी में उपचार से पहले सी.टी.स्केन, कम्प्यूटर और सही नाप के मदद से सिमुलेशन द्वारा यह पता कर लिया जाता है कि रेडियेशन किस जगह केंद्रित हो रहा है। इसमें 30 मिनट से दो घन्टे का समय लगता है। बाहरी रेडियेशन सप्ताह में 4 या 5 दिन कई सप्ताह की अवधि तक दिया जाता है।

रेडियेशन थेरेपी में शल्य-क्रिया की तरह बड़े जोखिम नहीं रहते हैं, लेकिन कुछ अप्रिय कुप्रभाव जैसे थकावट और कमजोरी तो होते ही हैं। श्वेत रक्त कण कम होना (इससे संक्रमण होने का खतरा रहता है) या बिंबाणु (Platelets) कम होना (इससे रक्तस्राव का खतरा रहता है) भी रेडियेशन के कुप्रभाव हैं। यदि रेडियेशन पाचन अंगों पर भी पड़ता है तो मिचली, उबकाई आना या दस्त लग सकते हैं। त्वचा में खुजली और जलन हो सकती है।

रेडियेशन –
बड़ी शल्य क्रिया -
रेडियो फ्रीक्वेंसी ऐबलेशन (RFA) –
ऐडीनोकार्सिनोमा –