Die häufigste, und auch bekannteste Therapie, ist die Radiojodtherapie. Hierbei wird radioaktives Jod (I-131) verwendet, das sowohl bei gutartigen als auch bei bösartigen Schilddrüsenerkrankungen zum Einsatz kommt. Das Radiojod reichert sich spezifisch in Schilddrüsenzellen, und zu einem gewissen Grad auch in Schilddrüsenkrebszellen, an und bestrahlt diese von innen.
Eine weitere, häufig durchgeführte Therapie ist die Peptid-Rezeptor-Radionukldid-Therapie (mit Lutetium-177 markiertem DOTA-TATE) zur Behandlung von neuroendokrinen Tumoren. Hierbei macht man sich den Umstand zunutze, dass neuroendokrine Tumore einen speziellen Rezeptor auf der Zelleroberfläche sehr stark ausbilden. Dieser Rezeptor wird von der nuklearmedizinischen Therapiesubstanz gezielt angesteuert und reichert sich in den Zellen an. Über einen Zeitraum von mehreren Wochen zerfällt die radioaktive Substanz und bestrahlt die krankhaften Zellen von innen.
Eine weitere wichtige und neue Therapie ist die Radioligandentherapie mittels PSMA-Liganden (177Lu-PSMA-Liganden) bei Patienten mit einem metastasierten Prostatakarzinom. Auch hier reichert sich die radioaktive Substanz vermehrt in Prostata-Zellen an, die PSMA (Prostata-spezifisches Membran-Antigen) ausbilden und bestrahlt die Krebszellen von innen.
Weitere Beispiele für nuklearmedizinische Therapien sind beispielsweise die sog. SIRT (selektive interne Radiotherapie) zur Behandlung von Leberkrebs, spezielle Therapien zur Behandlung von Knochenmetastasen oder zur Behandlung von chronisch entzündeten Gelenken.