Die so genannte Brachytherapie (brachys = griechisch kurz) ist ein zweites wich­tiges Instrument der Strahlentherapie und wird häufig in Kombination mit der Bestrahlung von außen eingesetzt. Dabei wird die Strahlenquelle in einer speziellen Hülse (Applikator) in eine Körperhöhle (z.B. Speiseröhre, Luftröhre, Enddarm, Scheide, Gebärmutter) eingebracht und gibt dort in genau berechneter Weise Strahlung ab; diese hat - im Gegensatz zur äußerlichen Bestrahlung – eine deutlich geringere Reichweite, d.h. sie dringt nur wenige Zentimeter ins Gewebe ein. Damit wird eine hohe Dosis im gewünschten Gebiet erzielt, während die umliegenden Organe weitgehend geschont werden. Eine weitere Form der Afterloadingtherapie besteht darin, dass spezielle Nadeln oder Schläuche (unter Narkose) direkt in das Tumorgewebe eingebracht werden. Auch hier erfolgt vorab eine sorgfältige Bestrah­lungsplanung anhand von CT-, Ultraschall- oder MR-Bildern. Nach der Bestrahlung werden die Applikatoren wieder entfernt.

Bei einer definierten Gruppe von Prosta­takarzinomen in frühen Stadien kann eine Brachytherapie mit so genannten „Seeds“ erfolgen. Dabei handelt es sich um kleine radioaktive Stifte, die unter Narkose in die Prostata eingebracht werden und dort ihre Strahlung dauerhaft abgeben. Diese Seeds verbleiben lebenslänglich im Körper.