與非小細胞肺癌一樣，小細胞肺癌的治療與分期相關。小細胞肺癌轉移非常迅速，因此所有病人主要的治療為化療。小細胞肺癌最常用的化療方案是足葉乙甙和順鉑或卡鉑。局限期小細胞肺癌的最佳治療方案是化療同步一日兩次的放射治療。最好能在化療的第一個或第二個月加上放射治療。廣泛期小細胞肺癌僅行化療，需要不間斷三到六個月。小細胞肺癌一般不適合行手術治療，除非患者的分期非常早，如肺癌是僅局限于肺內的一個小結節。術后的患者還需要進行化療，聯合或不聯合放射治。

化療后腫瘤縮小的患者，接受腦放射治療可以下降腦轉移的發生率。這種頭部預防性的放射治療成為預防性腦放療（PCI），研究證明可以延長患者生存期。

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，但目前臨床上采用多種治療手段，化療后手術，或同步或序貫放化療，可以使一部分患者得到治愈，5年生存率達50%左右。IV期肺癌是不可治愈的，一般僅行化療，化療可以改善IV期患者的生存質量并延長生存期，該期患者總體的中位生存時間為8-10個月，1年生存率30-40%，2年生存率10-15%。廣泛期小細胞肺癌中位生存時間9-11個月，治療后2年生存率也不足5%。