Zwana także radioterapią kontaktową. Jest stosowana do precyzyjnego leczenia miejscowego poprzez umieszczenie aplikatora zawierającego radioaktywny izotop (np. iryd Ir192, cez Cs137, kobalt Co60, rad Ra226, Itr Y90 i inne). Ze względu na sposoby umieszczania aplikatora wyróżniamy brachyterapię wewnątrztkankową (aplikator umieszczony w obrębie tkanki nowotworowej), brachyterapię powierzchniową (np. na skórze w celu leczenia nowotworów skóry), brachyterapię wewnątrzjamową (gdy źródło promieniowania umieszczone jest w naturalnych jamach ciała (jama macicy, jama ustna) w bezpośredniej bliskości guza, oraz brachyterapię śródoperacyjną (np. po wycięciu raka piersi).