تختلف الآليات المستخدمة في الأشعة العلاجية حسب نوع الجهاز والتقنية المستخدمة. ومن بين الآليات الشائعة:
1- الأشعة الكهرومغناطيسية الموجهة: وتستخدم أشعة الراديو والميكروويف مثل الليزر والأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء، وهي قادرة على تدمير الخلايا السرطانية دون التأثير على الأنسجة السليمة.
2- الأشعة السينية: وتستخدم الأشعة السينية على نطاق واسع في العلاج الإشعاعي، وتعمل على تدمير الخلايا السرطانية وإحداث أضرار في دناها.
3- الإشعاع الجسدي: وهو عبارة عن جسيمات مشحونة أو غير مشحونة تسبب تلف الخلايا السرطانية، ويشمل الحيثيات الألفا والبيتا والجسيمات الشاحنة.
4- البروتونات: وهي جسيمات أكثر كتلة وانتظاماً مقارنة بالإشعاع الجسدي والأشعة السينية، وتستخدم في العلاج الإشعاعي لحماية الأنسجة السليمة وتحريك الجرعة الموجهة إلى المنطقة المصابة.