放療可用于因身體原因不能手術治療的早期NSCLC患者的根治性治療、可手術患者的術前、術后輔助治療、局部晚期病灶無法切除患者的局部治療以及晚期不可治愈患者的重要姑息治療方式。
I期不能接受手術治療的NSCLC患者，放射治療是有效的局部控制病灶的手段之一。對于接受手術治療的NSCLC患者，如果術后病理手術切緣陰性而縱隔淋巴結陽性（pN2），除了常規接受術后輔助化療外，也建議加用術后放療。對于切緣陽性的pN2腫瘤，如果患者身體許可，建議采用術后同步放化療。對切緣陽性的患者，放療應當盡早開始。
對于因身體原因不能接受手術的II-III期NSCLC患者，如果身體條件許可，應當給予適形放療結合同步化療。在有治愈希望的患者，在接受放療或同步放化療時，通過更為適行的放療計劃和更為積極的支持治療，盡量減少治療時間的中斷或治療劑量的降低。
對于有廣泛轉移的IV期NSCLC患者，部分患者可以接受原發灶和轉移灶的放射治療以達到姑息減癥的目的。