放疗对根除局部病灶有效，化疗对杀灭照射野外的隐匿病灶有效。两者合用，通过作用于疾病的不同部位，达到协同作用。例如，通过放射治疗肺部原发病灶及淋巴结转移的癌细胞，药物治疗潜在的转移灶。放疗和化疗作用于相同的细胞群，或者作用于相同细胞群的不同亚群。

肿瘤细胞的生长周期依次分为G1、S、G2和M期。G1期和G2期是细胞RNA和蛋白质合成的时期，S期是DNA合成的时期，M期是肿瘤细胞一分为二的时期。放疗对M期最为敏感，对S期敏感性最差；而许多化疗药物对S期的肿瘤细胞杀伤力大。放疗与化疗合用，使抗肿瘤的效应相加。

理论上，化疗和放疗的效应互相增强，可提高对肿瘤细胞的杀灭。放疗期间应用化疗，能抑制放射杀伤肿瘤细胞的修复，使放疗的杀伤力增强；化疗诱导细胞周期的同步化，如紫杉醇阻滞细胞于G2和M期，使放射敏感性增加；化疗后缺氧的肿瘤细胞再充氧，增加放疗敏感性；放疗后肿瘤退缩，导致加速再增殖，此时化疗更加敏感。然而，在肿瘤杀灭效应增加的同时，正常组织的损伤也增加。是否能获得治疗增益在于肿瘤杀灭效应的增加和正常组织损伤增加之间的比例。某些化学药物，如WR2721能选择性地保护正常组织，而不增加对肿瘤组织的保护，从而提高放疗对肿瘤的杀灭。虽然实验资料证明能做到这点，但临床实践还有待进一步证实。如果所用的化疗药物与放疗对正常组织无毒性累加（相加作用），那么这些药物就能对照射野外的病灶有所作用（空间合作）；如果放疗时间选择恰当，就能减少正常组织的损伤，增强对肿瘤细胞的杀灭。中晚期非小细胞肺癌化疗和放疗综合治疗的效果并不理想。主要因为病期较晚，放疗的低局控率和化疗的低敏感性，综合治疗有可能提高局控率和生存率。

化疗和放疗综合应用包括三种方式：先化疗再放疗、放化疗同步进行、先放疗再化疗。其中，放化疗同步进行的疗效更好，中位生存期和一年生存率、两年生存率都有较明显的提高。