相比于传统放疗，质子治疗主要有两大优势。首先，质子的质量较大，运行线路基本沿直线传播（因此其准直性较好，不同于X射线等利用光子的方法），从而避免了对质子束线路上周围组织的损伤。这一原理可类比打靶，质子正中靶心，而光子会形成一个以靶心为中心的圆。
其次，质子带电，穿透力较弱，进入组织后会迅速衰减，但是大部分高能质子会聚集在一个相对集中的区域，如果该区域恰好是肿瘤组织所在，则一方面既实现了治疗目的，另一方面又对背向质子束一侧的正常组织损伤极小。正是这两大特征使质子治疗癌症更精 确、更集中，又由于副作用小而为增加质子剂量提供了可能，最终达到更好的治疗效果。
质子治疗应用于哪些治疗？质子治疗以副作用小的优势而受到部分肿瘤患者的青睐，目前在部分类型肿瘤方面显示出较好的效果。
脑肿瘤。由于脑系统结构精细，功能重要，因此正常组织损伤将严重影响患者生存质量，目前在脊索瘤和恶性脑膜瘤等得到应用。
儿童肿瘤。由于儿童处于发育期，因此副作用小的治疗方式对他们将来的生长和发育具有十分重要的意义，如儿童胶质瘤等。
头颈部肿瘤。对于像鼻咽癌、副鼻窦癌等癌症，质子治疗显示出较理想效果，最 大 程 度消除肿瘤组织同时，保护了周围正常组织的功能。
前列腺癌。这可能是目前质子治疗病例最多的癌症类型，由于主要是中老年男性患病，因此低副作用自然得到了他们的青睐。
其他肿瘤。质子治疗还在肺癌、肝癌和黑色素瘤等肿瘤得到一定程度应用。
