Η χρήση της ακτινοθεραπείας με πρωτόνια αυξάνεται παγκοσμίως, λόγω της καλύτερης δυνατότητας κατανομής της δόσεως, σε σύγκριση με την κλασσική ακτινοθεραπεία (ακτίνες Χ). Έτσι μπορεί να αποδοθεί υψηλή δόση στο στόχο (τον όγκο), με χαμηλή ή και καθόλου απόδοση δόσης στους περιβάλλοντες υγιείς ιστούς. Η δέσμη πρωτονίων μπορεί να ρυθμιστεί, ούτως ώστε να δώσει το μέγιστο αποτέλεσμα σε συγκεκριμένο βάθος και μετά να διακοπεί ακαριαία, ενώ η δέσμη ακτίνων Χ αποδίδει μία υψηλή δόση στην είσοδό της (στο δέρμα) και κατόπιν σταδιακά φθίνει, καθώς εισέρχεται εις βάθος του σώματος. Ο όγκος ακτινοβολίας, επομένως, είναι πολύ μεγαλύτερος για τις ακτίνες Χ, ειδικά στους υγιείς ιστούς.
Πλήθος συγκριτικών μελετών μεταξύ πρωτονίων και ακτίνων Χ, αναφορικά με το σχέδιο δόσεων, έχουν διεξαχθεί και όλες παρουσίασαν ευνοϊκά αποτελέσματα για τη μέθοδο πρωτονίων, αναφορικά με τις συγκριτικές δόσεις στους υγιείς ιστούς. Στα παιδιά ειδικά, αυτό είναι σημαντικό, π.χ. στην ακτινοβολία ενός ενδοκρανιακού όγκου, όπου η μέθοδος των πρωτονίων, αφήνει ανέπαφο τον υπόλοιπο εγκέφαλο από περιττή ακτινοβολία, με αποτέλεσμα λιγότερες ανεπιθύμητες ενέργειες και φυσιολογική πορεία μάθησης και ανάπτυξης. Εκτός αυτού, η μικρότερη ακτινοβολία υγιούς ιστού, οδηγεί επίσης και σε μικρότερη συχνότητα δευτερογενούς κακοήθειας.
Ωστόσο, δεν σημαίνει ότι μπορεί να είναι κατάλληλη για όλους ανεξαιρέτως τους όγκους. Κάποια παραδείγματα παθήσεων, οι οποίες μπορούν να αντιμετωπιστούν θεραπευτικά με ακτινοθεραπεία με πρωτόνια: