Hochenergetische Photonen- und die Teilchenstrahlung gehören zu den ionisierenden Strahlen. Trifft solche Strahlung auf Materie, wie z.B. Wasser, geht Energie aus der Strahlung auf die Atome bzw. Moleküle des Wassers über und führt dort zur Ionisation. Die nun entstandenen geladenen Teilchen sind ihrerseits wieder sehr reaktionsfreudig und können benachbarte Moleküle verändern.

Die Strahlenarten unterscheiden sich sehr in der Art des Energieübertrags und können über diese Eigenschaften mehr oder weniger gut therapeutisch genutzt werden.

Die meistgenutzten Strahlen im therapeutischen Bereich sind hochenergetische Röntgenstrahlen und Elektronenstrahlen. Nach Eintritt in das Gewebe, nimmt für die hochenergetische Röntgenstrahlung die Energieabgabe im Gewebe bis zu einer gewissen Tiefe zu, um dann langsam abzufallen. Bei der Elektronenestrahlung ist der Bereich des maximalen Energieübergangs sehr oberflächennah und fällt in der Tiefe rasch ab. Elektronenstrahlen eignen sich also eher zur Behandlung oberflächennaher Prozesse und hochenergetische Röntgenstrahlen für tiefer gelegene.

Ziel der Strahlentherapie beim Menschen ist es, durch den Energieübertrag die vorhanden Tumorzellen so zu schädigen, dass sie in der Folge daran zugrunde gehen. Die entstandenen reaktionsfreudigen Wassermoleküle führen zu Veränderungen bzw. Schädigungen an der DNA der Zelle. In der DNA ist die Information für die Steuerung der Stoffwechselprozesse der Zelle vorhanden. Tritt eine kritischer Schaden in diesem Molekül auf, kann die Tumorzelle ihre lebensnotwendigen Abläufe nicht mehr steuern und sich nicht mehr teilen. Letztlich führt das zum Untergang der Tumorzelle und im Idealfall des gesamten Tumors.

Ziel einer jeden Strahlentherapie muss es deshalb sein, den höchsten Energieübertrag der Strahlung in den Bereich des Tumors zu verlagern. Um dies zu erreichen, werden heute moderne rechnergesteuerte Behandlungseinrichtungen angewandt. Diese helfen, eine sehr präzise Vorhersage bzgl der Dosisverteilung im Körper zu erhalten.