Aby nowoczesna radioterapia mogła ratować życie chorym na nowotwory, potrzebne były przełomowe odkrycia z zakresu chemii i fizyki. 8 listopada 1895 roku Wilhelm Konrad Roentgen odkrył tajemnicze promieniowanie, które nazwano promieniami X. Okazało się, że promienie X przenikają z łatwością tkanki miękkie ciała ludzkiego, natomiast są pochłaniane przez kości. To rewolucyjne odkrycie odmieniło diagnostykę medyczną, dając początek nie tylko radiologii, ale też radioterapii.
Rok później francuski fizyk Henri Becquerel odkrywa zjawisko promieniotwórczości, nad którego badaniem skupia się Maria Skłodowska-Curie i jej mąż Piotr Curie. W 1898 roku odkrywają rad i polon, dwa pierwiastki promieniotwórcze, a ich wiedza daje podwaliny pod rozwój radiochemii, radiologii i radioterapii. W tym samym czasie zjawiskiem radioaktywności zainteresował się również Ernest Rutherford, odkrywca jądra atomu. Naukowiec dostał próbkę czystego uranu od Becquerela w celu zbadania emitowanego promieniowania. Rozłożył je na trzy składowe: promieniowanie alfa, beta i gamma.
Promienie rentgena i inne odkrycia z zakresu promieniotwórczości były natychmiast implementowane przez medycynę. Pierwsze zastosowanie promieniowania X w leczeniu miało miejsce dwa miesiące po ich odkryciu, u kobiety z rakiem piersi w USA. Następnie, w ciągu kolejnych lat, zabiegi zaczęto stosować w Niemczech, Francji oraz Austrii. W Polsce pierwszy instytut leczenia chorób nowotworowych otworzono w 1932 roku w Warszawie, w efekcie działań fundacji Marii Skłodowskiej-Curie i prezydenta Ignacego Mościckiego. Instytut Radowy działa do dzisiaj jako Centrum Onkologii – Instytut im. Marii Skłodowskiej-Curie. Początkowo leczono w nim tylko radem, później używano głównie bomb kobaltowych, obecnie jest to jeden z wiodących ośrodków onkologicznych w Polsce.
Kolejnym przełomowym wydarzeniem w rozwoju radioterapii było wprowadzenie w latach 50. XX wieku terapeutycznych aparatów megawoltowych, które zastąpiły radioterapię konwencjonalną ortowoltową. Do aparatów megawoltowych należą m.in.: przyspieszacze liniowe (akceleratory), bomby kobaltowe, betatrony, cyklotrony. Promieniowanie megawoltowe w porównaniu z konwencjonalnym ma wiele zalet:
większą przenikliwość (pozwala napromieniać zmiany położone głęboko),
mniejszą zdolność do pochłaniania przez tkankę kostną, co pozwala na napromienianie guzów położonych wewnątrz ścian kostnych,
lepszą tolerancję leczenia (mniej działań niepożądanych).
Następny impuls do przełomu w radioterapii dała informatyczna rewolucja w latach 90. XX wieku. Zastosowanie komputerowych technik obliczeniowych i trójwymiarowego obrazowania otworzyło drogę radioterapii konformalnej 3D. Jej celem jest podanie wysokiej dawki promieniowania na obszar guza nowotworowego przy minimalizacji napromieniania tkanek zdrowych. Tego typu leczenie wymaga zastosowania najnowocześniejszego sprzętu, zwiększenia standardów i wymagań wobec zespołu lekarzy, fizyków medycznych i techników.