三十多年来，重离子放疗在国外的应用越发成熟。于2015年，上海市质子重离子医院率先在国内开展重离子放疗。2025年2月，浙江省肿瘤医院也开始将重离子放疗应用于临床。

目前临床常用的重离子为碳离子，具有“Brag峰”，对周围正常组织的损伤相对光子放疗更小。此外，重离子以破坏肿瘤细胞DNA的双链为主，而光子则以破坏肿瘤细胞DNA的单链为主。双链断裂相对单链断裂更难以修复，所以，重离子对肿瘤细胞的杀伤效果比光子更好。如果把光子放疗的生物学效应算作1的话，重离子则高达3。

重离子放疗可应用于头颈部肿瘤、颅底肿瘤、肺癌、肝癌、胰腺癌、直肠癌术后、放疗后复发、前列腺癌、肉瘤、黑色素瘤等等。

未来重离子放疗的发展方向，将着眼于以下几个方面：重离子联合免疫治疗、重离子闪疗（Flash）、AI在重离子放疗中的应用、重离子装备小型化、多种粒子射线混合治疗、其他重离子射线探索等。