粒状の小さな線源（放射性物質）をがんの中に入れ、内部から放射線をあてる方法です。できるだけたくさんの放射線をがんに照射し、周囲の正常組織にはできるだけ放射線をあてないことを目的としています。用いられる放射性物質としては、セシウム、イリジウム、ヨード、リン、金などがあります。小線源治療は、あらかじめ小線源の通り道となる中空の管を留置する"腔内照射"か、中空の針をがん病巣を貫いて刺しておく"組織内照射"などに分けられます。
また用いる線源の種類により短時間でたくさんの放射線をあてる"高線量率"と、比較的長い時間をかけてじわじわと放射線をあてる"低線量率"とに分けられます。なお刺入時間により、一時刺入と永久刺入に分けることもあります。

小線源治療は頭頚部、食道、肺、乳房、胆道、子宮、前立腺のがんなどに用いられます。治療する部位によりさまざまな補助器具を使用します。管、針、ワイヤ、粒状などの形状となった容器に密封された放射性同位元素を放射線源として、がんやその周囲組織に直接挿入したり埋め込んだりして治療します。

小線源治療と外部照射治療を併用することもあります。