Bei dieser Methode wird die Bestrahlung nicht wie bei den oben beschriebenen Techniken von außen appliziert, sondern es erfolgt eine Strahlenbehandlung von innen. Das bedeutet, dass eine oder mehrere radioaktive Quellen in den Tumor oder in tumorbefallene Hohlorgane eingesetzt werden und dort zu einer ganz umschriebenen Behandlung führen, ohne die umgebenden Organe nennenswert zu belasten. Voraussetzung ist, dass das tumorbelastete Gewebe von außen erreichbar ist. Dies ist typischerweise der Fall bei Behandlungen im Bereich der Gebärmutter oder des Gebärmutterhalses sowie im Bereich der Scheide. Weitere Behandlungsmöglichkeiten der Brachytherapie liegen an der Brust, den Bronchien, der Speiseröhre oder im Bereich des Kopf-Halses und der Prostata. Die Behandlung kann als alleiniges Therapieverfahren oder als ergänzende Behandlung zu einer perkutanen Strahlentherapie durchgeführt werden.

Die Quellen für die Brachytherapie werden im Nachlade-(=Afterloading-)Verfahren eingeführt, um einen bestmöglichen Strahlenschutz zu erzielen und kurze Behandlungszeiten  zu ermöglichen.  Die meisten Brachytherapien benötigen eine Bestrahlungszeit von ca. 5-10 Minuten.