放疗在小细胞肺癌中应用非常广泛。小细胞肺癌分为两期——局限性和广泛期。局限期小细胞肺癌指肿瘤仅在一侧肺部，广泛期小细胞肺癌则指肿瘤已经扩散到双肺或身体的其它部位。依据小细胞肺癌分期的不同，放疗被应用于如下方面：
① 在局限性小细胞肺癌中，放疗可以与化疗同时应用，这种疗法也被称为“同步放化疗”。这时放疗通常在化疗的第一或第二周期（也就是第一或第二次化疗时）开始应用；
② 对于广泛期小细胞肺癌患者，以及身体状况不能耐受同步放化疗的局限性小细胞肺癌患者，放疗也可以在化疗结束后再应用；
③ 由于小细胞肺癌侵袭性强，容易发生远处转移，为了降低癌细胞转移到脑部的风险，局限性小细胞肺癌患者大部分会接受预防性脑部放疗。一部分广泛期小细胞肺癌也会接受这种放疗；
④ 放疗可缓解小细胞肺癌相关症状，如疼痛、吞咽困难、咳嗽、呼吸困难等，并可治疗脑、骨、肝脏等部位的转移病灶。
放疗与拍X线片有相似之处，区别之处在于射线更强，并且射线只会照射病灶部位。放疗不会引发疼痛，每次放疗仅会持续几分钟。小细胞肺癌的放疗通常是每天放疗1～2次，每周5天，持续3～7周。目前新型的放疗技术包括三维适形放疗、调强放疗、立体定向放疗等。这些新型放疗的疗效更好、副作用更少。
放疗同样存在副作用，并且依据放疗部位的不同而有所差异。胸部放疗可能会引发咳嗽、呼吸困难及胸闷。纵膈等部位放疗累及食管的时候可能会出现咽喉疼痛、吞咽疼痛和吞咽困难。脑部放疗有时会引发头痛、恶心、嗜睡、记忆障碍等。放疗导致的副作用通常会在治疗结束后逐渐缓解，但有时也可能会持续很长一段时间。