در رادیوتراپی از پرتوهای یونیزه کننده Ionizing radiation استفاده می‌شود.
این پرتوهای یونیزه‌کننده، با اتم‌ها یا مولکول‌های خنثی واکنش داده و آن‌ها را تبدیل به یون کرده و یا باردار می‌کند. این پرتوهای یونیزه‌کننده باعث شکستن مولکول DNA در هسته‌ی سلول‌ها و سپس مرگ سلول‌ها می‌شود. در نتیجه از همانندسازی replication این سلول‌ها نیز جلوگیری می‌شود. این امر می‌تواند روند پیشرفت بیماری بدخیم را کند کرده یا حتی متوقف کند. علاوه بر سرطان، ممکن است انکولوژیست‌ها (سرطان‌شناسی یا Oncology) از این پرتوهای یونیزه‌کننده برای درمان تومورهای خوش‌خیم که به کمک عمل جراحی قابل برداشت نیستند (همانند انواع خاصی از تومورهای مغزی)، استفاده کنند.
تا پیش از اینکه عوارض بلندمدت پرتوهای یونیزه‌کننده شناخته شود، از این پرتوها حتی برای درمان مواردی همچون آکنه، قارچ پوست سر (تینه آ کاپیتیس) و ورم غدد لنفاوی استفاده میشد.
اما با کشف آسیب‌های ناشی از پرتوهای یونیزه‌کننده، کاربرد این پرتوها در درمان چنین مواردی، کنار گذاشته شد. اما این پرتوهای یونیزه کننده ممکن است از جنس امواج الکترومغناطیس همچون پرتو ایکس یا پرتو گاما باشد و یا اینکه از تابشی از ذرات زیراتمی همچون الکترون‌ها، پروتون‌ها یا حتی ذرات سنگین‌تر همچون یون‌های کربن باشد. در روش‌های اولیه‌ی پرتودرمانی، از پرتوهای ایکس در دامنه‌ی ۱۴۰ تا ۴۰۰ کیلوولت برای درمان استفاده میشد. این روش با توجه به اینکه پرتوهای ایکس توسط ویلهلم رونتگن کشف شده بود، رونتگن‌تراپی نیز نامیده میشد.