Terapia protonowa wykorzystuje podstawowe cząstki budujące jądro atomu wodoru– protony. Protony mają ładunek dodatni i masę o wiele większą od masy elektronów. Radioterapia protonowa polega na napromienianiu zmian nowotworowych u pacjentów onkologicznych przy pomocy promieniowania protonowego.Protony przyspieszane są w cyklotronie do prędkości bliskiej połowie prędkości światła. W ten sposób uzyskuje się energię rzędu 230 MeV (megaelektronowolty), umożliwiającą uszkodzenie nowotworu na głębokości do około 30 cm. Protony za pomocą silnego pola magnetycznego formowane są do bardzo wąskiej wiązki („wiązki ołówkowej”) i przenoszone z dużą dokładnością za pomocą obrazowania 3D do nowotworu złośliwego. W trakcie zwalniania protonów w tkance nowotworowej uwalniana jest energia, która wywołuje jonizację i uszkadza DNA napromienianej komórki. Jeśli uszkodzenie to jest wystarczające, komórka przestaje się dzielić lub natychmiast umiera.

Podstawowa przewaga protonów w zastosowaniach radioterapeutycznych nad promieniowaniem konwencjonalnym (fotonowym i elektronowym) wynika z faktu, że maksimum dawki (pik Bragg’a) występuje dla protonów na pewnej głębokości, zależnej od energii wiązki, a nie na skórze pacjenta. Ma to olbrzymie znaczenie w przypadku leczenia guzów położonych głęboko (np. guzy wewnątrzczaszkowe). Korzystny w rozkładzie dawki dla protonów jest też fakt, że dawka za maksimum bardzo szybko spada do zera. Wysoki gradient dawki pozwala podać promieniowanie tylko do obszarów nowotworowych, z uniknięciem nadmiernego napromienienia tkanek otaczających (w tym często narządów krytycznych dla zdrowia i życia pacjenta). Zalety promieniowania protonowego pozwalają obniżyć prawdopodobieństwo powikłań po napromienianiu, bądź też przy zachowaniu niskiego stopnia powikłań podwyższyć dawkę w obrębie guza i dzięki temu zwiększyć prawdopodobieństwo jego zniszczenia.