化療的目的是縮小腫瘤，減輕由腫瘤引起的不適，防止進一步轉移和延長患者生存期。化療極少能使轉移性肺癌消失。因此，無論化療多么有效， 一般認為IV期肺癌是不可治愈的。這些患者都需要進行密切隨訪和終身治療來控制病情。化療可以改善IV期患者的生存質量并延長生存期。

該期病人一般不進行手術或放射治療。極少數情況下，如果患者僅有腦轉移或腎上腺轉移，醫生會建議行轉移灶切除。單一部位的轉移灶也可行放射治療，如腦轉移。但是IV期患者發生其他部位轉移的概率是非常高的。大部分IV期非小細胞肺癌患者僅行化療。

大多數III期非小細胞肺癌單純手術或放療不能達到治愈的目的。病人即使手術或放療很成功，其發生原發部位或遠處復發的概率仍較高。因此，醫生一般不建議患者直接手術，而是先行化療，之后再手術。化療后，病人一般仍然需要行手術治療，特別是那些化療有效，腫瘤有縮小的患者。但也有部分病人不行手術而是接受化放療聯合治療，以期達到治愈。化療可以在放療前也可與放療同步進行。化放療聯合治療可以提高放療的有效率，下降腫瘤復發的幾率。同步放化療有效率高于先化療后放療的治療方法，但同時帶來更多副反應。病人化療和放療結束后可能仍然需要手術治療。然而對于放射治療非常有效的患者是否還需要手術，或是化療后腫瘤完全消失的患者是否還需要放療，醫生之間還存在爭論