स्मॉल सेल और नॉन स्मॉल सेल दोनों प्रजाति के कैंसर में कीमोथेरेपी दी जाती है। कीमोथेरेपी में दवाएं कैंसर कोशिकाओं को मारने या उनके तेजी होने वाले विभाजन को रोकने के लिए दी जाती हैं। कीमोथेरेपी को उपचारात्मक, शल्य-क्रिया या रेडियोथेरेपी के साथ सहायक उपचार के रूप में दी जाती है। वैसे तो आजकल बहुत सारी कीमो दवाएँ प्रचलित हैं लेकिन फेफड़े के कैंसर में प्लेटिनमयुक्त दवाएं जैसे सिसप्लेटिन या कार्बोप्लेटिन सबसे प्रभावशाली साबित हुई हैं।

लगभग सभी स्मॉल सेल कैंसर में कीमोथेरेपी ही सबसे मुफीद इलाज है, क्योंकि निदान के समय ही यह प्रायः पूरे शरीर में फैल चुका होता है। स्मॉल सेल कैंसर के सिर्फ आधे रोगी ही कीमोथेरेपी के बिना चार महीने जी पाते हैं। लेकिन कीमो के बाद उनका जीवन लम्बा तो होता ही है। नॉन स्मॉल सेल कैंसर में अकेली कीमो इतनी असरदार साबित नहीं हुई है, लेकिन यदि कैंसर का स्थलांतर हो चुका है तो कई रोगियों का जीवन काल तो बढ़ता ही है।

कीमोथेरेपी गोलियों, शिरा मार्ग या दोनों तरीके से दी जाती है। कीमो प्रायः ओ.पी.डी. विभाग में दी जाती है। एक चक्र में पूर्व निर्धारित नियमानुसार कुछ दवाएँ दी जाती है, इसके बाद थोड़े समय के लिए रोगी के विराम दिया जाता है। इस दौरान वह कीमो के कुप्रभावों के कष्ट पाता है और फिर धीरे-धीरे उनसे मुक्त हो जाता है तो अगला चक्र दिया जाता है। इस तरह कीमो के कई चक्र दिये जाते हैं। दुर्भाग्यवश कीमो में दी जाने वाली दवाएँ स्वस्थ कोशिकाओं को भी क्षतिग्रस्त करता है जिससे कई अप्रिय और कष्टदायक कुप्रभाव होते हैं। श्वेत रक्त कण कम होना (इससे संक्रमण होने का खतरा रहता है) या बिंबाणु कम होना (इससे रक्तस्राव का खतरा रहता है) कीमो के प्रमुख कुप्रभाव हैं। थकावट, बाल झड़ना, मिचली, उबकाई, दस्त, मुँह में छाले पड़ जाना आदि अन्य कुप्रभाव हैं। कीमो के कुप्रभाव दवा की मात्रा, मिश्रण में दी जाने वाली अन्य दवा और रोगी के स्वास्थ्य पर निर्भर करता है। दवा के कुप्रभाव के लिए भी कुछ विशेष दवाएं दी जाती हैं।

स्मॉल सेल फेफड़े के कैंसर में कीमोथेरेपी के प्रचलित रिजीम निम्न लिखित हैं।

PE रिजीम 
PEC रिजीम 

CAV रिजीम 
CAVE 
एक दवा वाली रिजीम 
पुनरावृत्ति कैंसर में निम्न कीमोथेरेपी दी जाती है। 

टोपोटेकॉन यदि रोगी को हृदयरोग हो और डोक्सोरुबीसिन देना संभव नहीं हो क्योंकि हृदय को नुकसान पहुँचाती है।

AUC = area under the concentration curve; bid = twice daily; IV = administered intravenously; PO = administered orally.

नॉन स्माल सेल फेफड़े के कैंसर में कीमोथेरेपी बहुत ज्यादा प्रभावशाली साबित नहीं हुई है।

प्रायः सिसप्लेटिन या कार्बोप्लेटिन (Paraplatin) के साथ निम्न में से कोई एक दवा दी जाती है। 

धूम्रपान
कीमोथेरेपी –
ऐस्बेस्टस
सीटी स्केन (computerized tomography, computerized axial tomography, or CAT)