Bei der gleichzeitigen Kombination von Radio- und Chemotherapie (RCT) nutzt man nicht nur die eigenständigen zytotoxischen Effekte beider Modalitäten, sondern bewirkt auch eine Intensivierung der Therapie durch kurze Gesamtbehandlungszeit und eine spezifische Radiosensibilisierung von Tumorzellen. Bei zahlreichen Tumorentitäten ist dieses Vorgehen deshalb wirksamer als eine zeitlich getrennte (sequentielle) Radiochemotherapie. Die simultane RCT gilt heute als die Therapie der ersten Wahl bei Hirntumoren (Glioblastomen), Bronchialkarzinomen, Ösophaguskarzinomen, Rektumkarzinomen,  Analkanalkarzinomen und Plattenepithelkarzinomen der Kopf-Hals-Region. Bei zahlreichen weiteren Tumorarten befindet sich die simultane RCT in klinischer Erprobung. Ein neuer Weg ist die Kombination der Strahlentherapie mit monoklonalen Antikörpern.