對於無法手術治療的第一到三期非小細胞肺癌與局限期小細胞肺癌，放射治療是主要的局部治療方式。針對早期非小細胞肺癌，高劑量（60Gy以上）標準放射治療的三年存活率約為30-50%，局部復發率高達50-60%。對於第三期非小細胞肺癌，同步化學治療與高劑量放射治療的三年存活率約為25-40%，局部復發率約佔20-25%，相較於循序性化學放射治療可增加2-3個月的中位存活期。

　　為增加第三期非小細胞肺癌同步化學放射治療的療效，研究中的策略包括提高放射治療的總劑量與加入標靶藥物作為合併療法的一部份(RTOG 0617)。放射性肺炎與肺纖維化的發生是限制放射治療劑量增加的最主要因素。因此為了減少提高放射治療劑量造成的肺部副作用，在放射治療的照野設計方面捨棄了預防性淋巴區域照野(Elective nodal irradiation)，只治療疾病侵犯部位。此外引入正子影像的資訊以及呼吸調控的技術亦可幫助提高放射治療的準確度與減低正常組織的傷害。在放射治療合併使用標靶藥物方面，Cetuximab是目前唯一經臨床實證合併使用能夠增加放射治療療效與化學治療療效的表皮生長因子抑制劑。至於常用的小分子酪胺酸激?抑制劑(Tyrosin kinase inhibitor)併用放射治療的成效則仍待進一步的臨床研究。

　　近年來，立體定位(Stereotactic)低分次(Hypofractionated)放射治療或放射手術(Radiosurgery)應用於無法手術的早期非小細胞肺癌獲得不錯的初步成效。將48-60Gy分3-5次給予使生物等效劑量大於100Gy，三年的局部控制率可達80-95%，而造成具症狀的肺部副作用的發生率則低於5-10%。對於位在氣管與主要支氣管近端（2公分以內）的肺腫瘤，嚴重副作用的危險性較位於周邊的肺腫瘤高出十一倍，使用延長療程的設計可以降低嚴重副作用的發生率。立體定位低分次放射治療亦可應用於治療肺癌之寡轉移(Oligometastasis)病灶，如腦、肺與骨轉移等。