应用质子治疗的肿瘤以颅内肿瘤为主，其中最常见的是胚胎肿瘤，如成神经管细胞肿瘤、原始神经外胚层肿瘤、星形细胞肿瘤和室管膜肿瘤，以及位于脑中蝶鞍区的肿瘤，如颅咽肿瘤和垂体腺瘤。有些脑肿瘤很少发生，包括不典型的畸形胎样、横纹肌样肿瘤、脉络丛癌和松果体母细胞肿瘤。
在这些肿瘤中，放疗通常用作手术切除后的辅助治疗，优化局部肿瘤控制。质子治疗能最 大限度地保护肿瘤邻近地区的重要器官。对于不能手术的肿瘤，如脑干胶质瘤，治疗完全依赖于放射治疗。肿瘤细胞高风险在脑脊髓液中扩散或向中枢神经系统转移后，除了对原发性肿瘤区域进行局部放射治疗外，还需要对整个脑脊髓液系统进行脑脊髓轴放射治疗。
相对于常规放疗，质子治疗在此类治疗中有明显优势，在放疗脊髓脑脊液系统时尤为显着。只放射治疗背部时，质子完全停留在脊柱内。脊柱前部的颈部、胸部、腹部、骨盆组织和脏器完全不接受放射线。由此可以防止甲状腺、心脏、肺部、肠管等各种脏器的晚期损伤。
放疗同时用于颅内外肿瘤的治疗，通常用于肉瘤(横纹肌肉瘤和尤因肉瘤)和神经母细胞瘤。早期放射治疗大多是这些实体肿瘤治疗方案的一部分。理想情况下，放射治疗使肿瘤缩小，易于切除。然后，放射线治疗通常用于照射原发性肿瘤部位和残留肿瘤组织。质子治疗也可用于治疗这些肿瘤，更好地保护健康组织，最小化重要脏器的辐射剂量。
