La quimioterapia es la primera opción de tratamiento en la mayoría de casos de cáncer de células pequeñas. Es capaz de controlar fácilmente los síntomas, que suelen ser muy acusados en esta clase de cáncer. Sin embargo, las curaciones son excepcionales y la mayoría de los casos recaen pasados uno o dos años.

No todos los enfermos podrán ser intervenidos quirúrgicamente pues dependerá de si tienen suficiente capacidad respiratoria como para soportar una escisión de parte o de la totalidad del pulmón y de cómo sea su estado general.

En el cáncer de pulmón, suele emplearse una combinación de medicamentos quimioterápicos. Algunos de estos fármacos pueden administrarse por boca o por vena. Cuando llegan al torrente sanguíneo, estos medicamentos se expanden por todo el organismo y actúan contra las células cancerosas, destruyéndolas. Por este motivo, es muy útil en aquellos cánceres que se han extendido a otras áreas

La quimioterapia puede administrarse como tratamiento principal o como terapia de ayuda a la cirugía. En muchas ocasiones, la quimio se administra antes de la cirugía, con la intención de reducir el volumen del tumor y allanar el camino al cirujano. Incluso a veces, algunos cánceres de pulmón inoperables se convierten en operables tras algunos meses de quimioterapia. También es posible recibir quimioterapia después de la cirugía, incluso cuando todo el tumor se ha extirpado con éxito. La razón es que con esta estrategia se evita un porcentaje de recaídas y acaban curándose más pacientes a largo plazo. Se conoce a esta clase de tratamiento oncológico como quimioterapia adyuvante.

La elección del tratamiento de primera o segunda línea depende del tipo de cáncer, y varía entre el cáncer de células no pequeñas,o bien de células pequeñas.
Los efectos secundarios más frecuentes que se presentan como consecuencia del empleo de quimioterápicos son: náusea y vómito, pérdida del apetito, pérdida del cabello y llagas en la boca. Junto a los medicamentos quimioterápicos, se emplean otros que disminuyen o hacen desaparecer los efectos secundarios de los primeros.