En effet, le proton ne sera ionisant que dans une fourchette de vitesse bien spécifique : il traversera des tissus sans trop d’interaction si sa vitesse est trop grande ou trop faible (pic de Bragg). On tire alors parti de cette caractéristique en émettant des protons à des vitesses supérieures à cette vitesse d’interaction privilégiée. L’objectif est de faire en sorte que la perte d’énergie cinétique amène progressivement le proton dans la fourchette de vitesse visée et ce dans une zone proche de la tumeur. La précision est alors de quelques millimètres et n’endommage que faiblement les tissus avant et après la tumeur.
 

Le principe de la radiothérapie est des plus simples : il s'agit d'exposer les cellules cancéreuses à une ionisation, c'est à dire une émission de radiations qui va altérer la composition de l'information génétique des cellules cancéreuses. De nos jours, les spécialistes ont à leur disposition un éventail très large de qualité et de quantité de radiations ionisantes.
Ce matériel génétique contenu sous la forme d'ADN subit des transformations, qui rendront la cellule incapable de se reproduire. Cette "stérilisation" réduit ainsi la reproduction anarchique de ces cellules malignes, responsables du cancer. Cependant, les cellules normales peuvent également être affectées par ces radiations, mais leur taux de réparation est supérieur à celles des cellules cancéreuses. Cet "effet différentiel" explique le bénéfice de la radiothérapie. Mais la limite est parfois si fine, que ces traitements sont bien souvent accompagnés de nombreux effets secondaires. Ainsi, la mission du radiothérapeute est de réussir à tuer les cellules cancéreuses et à préserver les cellules saines. Cette double tâche comprend cependant quelques risques, qui sont le prix à payer pour guérir.