Aunque la medicina nuclear es una especialidad fundamentalmente diagnóstica, los radioisótopos pueden utilizarse como vía de tratamiento en aplicaciones concretas en forma de radioterapia nuclear molecular.

La radioterapia es la especialidad médica que utiliza la administración de radiaciones ionizantes con fines curativos para la destrucción de tejidos malignos o tumores. Hace casi un siglo, dos médicos franceses, Bergonié y Tribondeau, demostraron que la radiosensibilidad de las células está en relación directa con su diferenciación y capacidad de reproducción, siendo más sensibles las células menos diferenciadas y con mayor ritmo de crecimiento. Puesto que las células que componen los tejidos tumorales malignos cumplen habitualmente estas características, pueden someterse a la acción de las radiaciones que producirán la muerte de los tejidos tumorales pero sobrevivirán los tejidos sanos que son más resistentes por estar compuestos por células más diferenciadas y de menor ritmo de crecimiento.

Las modalidades de radioterapia posibles reciben diferentes nombres en relación con las características de la radiación y del equipo que las genera.

La teleterapia es la forma de radioterapia que utiliza la radiación procedente de un equipo generador situado a cierta distancia de la zona a irradiar. Esta modalidad de irradiación puede generarse a través de equipos de rayos X de energía baja o media o equipos de alta energía como la bomba de cobalto y los aceleradores lineales.

La braquiterapia es la modalidad de radioterapia que utiliza fuentes cerradas o selladas de material radiactivo que se colocan en contacto con el tumor o se introducen en su interior. Su principal ventaja es la concentración máxima de dosis de radiación en el tejido tumoral con escasa irradiación del tejido sano circundante.