اگرچه شتاب‌دهنده‌های ذرات در ابتدا و اساسا برای انجام تحقیقات بنیادی بر روی ساختار هسته، طبیعت نیروهای هسته‌ای و خواص هسته‌هایی که در طبیعت یافت نمی‌شود (عناصر سنگین‌تر از اورانیوم و دیگر عناصر ناپایدار)، توسعه یافته‌اند، اما همچون دیگر انواع تحقیقات بنیادی، پس از مدتی جنبه‌ی کاربردی نیز یافته‌اند.
یکی از کاربردهای رایج و بسیار مهم شتاب‌دهنده‌های ذرات، پرتو درمانی یا radiation therapy است.
با کشف پرتو ایکس در سال ۱۸۹۵ توسط فیزیکدان آلمانی، ویلهلم رونتگن و سپس با کشف پدیده‌ی پرتوزایی توسط فیزیکدان فرانسوی هنری بکرل، دانشمندان به اثرات زیستی پرتوزایی نیز پی بردند. استفاده از پرتوها به منظور درمان بیماری‌های بدخیم (سرطانی) و خوش‌خیم، به اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم باز می‌گردد. در ژانویه‌ی ۱۸۹۶، ظرف مدت کوتاهی پس از اعلام کشف پرتو ایکس، کمپانی E. H. Grubb که یک کمپانی تولیدکننده‌ی لوله‌های خلاء بود، با توصیه‌ی پزشکی به نام Ludlam، برای اولین بار از پرتوهای ایکس برای درمان سرطان استفاده کرد.
فرآیند درمانی برای بیماری مبتلا به سرطان سینه، به مدت یک ساعت تحت پرتودهی قرار گرفت. البته این روش درمانی موجب سوختگی پوستی جدی و غیر قابل تحملی می‌شد.