La radiocirugía que utiliza haces de protones como agente de interacción fue una de las primeras formas de empleo de la técnica para tratar determinadas afecciones cerebrales. La radiocirugía con protones se realiza tanto con estas partículas como con átomos de otros elementos que han sido previamente ionizados. En ambos casos se consigue una energía suficiente mediante el empleo de aceleradores de partículas pesadas.

El sistema básico de aceleración de protones y de iones pesados es el ciclotrón. Este consiste en dos piezas metálicas en forma de D entre las que se establece una diferencia de potencial, sincronizada de forma que produzca una aceleración de los iones cada vez que éstos pasan de una pieza a la otra. El movimiento del haz en el interior de las piezas se controla por medio de un campo magnético constante. Otros sistemas de aceleración de partículas pesadas son el sincrociclotrón y el sincrotrón. Ambos son modificaciones del ciclotrón, diseñados para compensar los efectos relativistas que se producen cuando las partículas adquieren energías elevadas.

La interacción de una partícula cargada pesada en un medio material se realiza, principalmente, por choque con los electrones de los átomos. Tanto el estudio teórico como las medidas experimentales encuentran que la dosis depositada por un haz en un medio es mayor al final de su trayectoria, en la zona denominada pico de Bragg. Esta característica permite irradiar lesiones profundas con dosis elevadas, liberando una cantidad de energía menor en el tejido sano circundante. El tratamiento puede hacerse bajo un único ángulo, con lo que se puede evitar siempre que sean irradiadas determinadas estructuras más radiosensibles.