放射治疗常用的同位素是碘-131（¹³¹I）。¹³¹I是一种发射β射线的同位素，主伽马射线为364kev（81%丰度），β粒子的能量为0.61mev。它的半衰期为8.1天，在组织中的平均范围为0.4毫米。¹³¹I是由碲-130在核反应堆中辐照产生的。虽然有些病人可能会在门诊接受治疗，但监管要求可能要求那些接受高剂量¹³¹I的病人作为住院病人在有铅的房间里长时间停留。患者接受这些更高剂量需要在紧急情况下进行特殊处理，以尽量减少对周围人的辐射照射。

¹³¹I碘化钠以其天然形式被用于治疗残留甲状腺癌和转移性疾病，其方法是切除部分或全部甲状腺切除术后残留的组织。¹³¹I碘化钠也用于治疗非癌症疾病，如甲状腺机能亢进和无毒性多结节性甲状腺肿。这种药是口服的，可以是胶囊或液体形式，因为这种放射性核素很容易从胃肠道吸收到唾液腺、胃粘膜还有甲状腺组织。因为恶性和良性疾病过程都是用¹³¹I治疗的，所以剂量会因患者而异。剂量一般在1.11-11.1gbq之间。

¹³¹I治疗后的预后因癌症患者而异。虽然患者的年龄、性别、肿瘤病理、分级和大小都会影响甲状腺癌的表现，但他们仍有良好的预后。不同类型的甲状腺癌，滤泡状和乳头状，通常比其他类型（髓质癌和间变性癌）有更好的预后，10年生存率在92%到98%之间。然而，5-20%的甲状腺癌患者会出现局部复发，需要额外的治疗和/或手术[7]。

甲亢患者用¹³¹I碘化钠治疗有较高的缓解率。高剂量的¹³¹I碘化钠（600毫微克）有较高的治愈率，但也增加了甲状腺功能减退症的发病率[8]

¹³¹I标记的间碘苯胍（MIBG）是去甲肾上腺素[2]的类似物，因此被肾上腺素能神经系统吸收。正是这种摄取使¹³¹i-MIBG成为治疗多种不同癌症和疾病的首选示踪剂。当¹³¹I标记到MIBG上时，可用于治疗III期或IV期神经母细胞瘤、不能手术的嗜铬细胞瘤、不能手术的类癌、不能手术的副神经节瘤和转移性或复发性甲状腺髓样癌[2]。方法是通过缓慢的静脉注射给药，范围在3.7到11.2gbq之间。大约60%的棕色素细胞瘤患者对这种疗法有反应。30%的患者看到肿瘤大小的消退，30%的患者症状缓解；然而不幸的是，大约三分之一的患者根本没有反应[7]。

¹³¹I碘油是¹³¹I放射疗法的另一种形式，用于治疗不能手术的原发性肝癌。碘化油是一种天然碘化油脂肪酸乙酯。这种碘标记产品由直径约为20–200µm的脂肪滴组成。碘化油直接给药，以2-3毫升的剂量注入肝动脉。标准剂量为0.9-2.4吉百克。¹³¹I碘油靶向癌细胞，在保留肿瘤周围正常细胞和组织的同时，对肿瘤细胞产生细胞毒性。尽管大部分剂量保留在肝脏中，但是当肺部摄取量很高时，就会出现肺纤维化这样常见的并发症。Raoul等人发现¹³¹I碘油在治疗的患者中有55%的肿瘤缩小[9]。

¹³¹I-tositumab是一种小鼠单克隆抗体，用于治疗CD20阳性、滤泡性、非霍奇金淋巴瘤，对利妥昔单抗耐药并复发。这种疗法是静脉注射给药的。根据最初的剂量学计算，大多数患者接受的治疗剂量为2590–3330 MBq，但剂量范围存在很大差异。先前接受过小鼠抗体的患者在继续进行其他治疗方案之前，必须具有阴性的血清人类抗鼠抗体（HAMA）结果。对小鼠（小鼠）蛋白过敏的患者也禁止使用¹³¹I-tositumab。研究发现，接受这种治疗的患者有63%的缓解率，中位持续时间为25.3个月[7]。