化疗的目的是缩小肿瘤，减轻由肿瘤引起的不适，防止进一步转移和延长患者生存期。化疗极少能使转移性肺癌消失。因此，无论化疗多么有效， 一般认为IV期肺癌是不可治愈的。这些患者都需要进行密切随访和终身治疗来控制病情。化疗可以改善IV期患者的生存质量并延长生存期。

该期病人一般不进行手术或放射治疗。极少数情况下，如果患者仅有脑转移或肾上腺转移，医生会建议行转移灶切除。单一部位的转移灶也可行放射治疗，如脑转移。但是IV期患者发生其他部位转移的概率是非常高的。大部分IV期非小细胞肺癌患者仅行化疗。

大多数III期非小细胞肺癌单纯手术或放疗不能达到治愈的目的。病人即使手术或放疗很成功，其发生原发部位或远处复发的概率仍较高。因此，医生一般不建议患者直接手术，而是先行化疗，之后再手术。化疗后，病人一般仍然需要行手术治疗，特别是那些化疗有效，肿瘤有缩小的患者。但也有部分病人不行手术而是接受化放疗联合治疗，以期达到治愈。化疗可以在放疗前也可与放疗同步进行。化放疗联合治疗可以提高放疗的有效率，下降肿瘤复发的几率。同步放化疗有效率高于先化疗后放疗的治疗方法，但同时带来更多副反应。病人化疗和放疗结束后可能仍然需要手术治疗。然而对于放射治疗非常有效的患者是否还需要手术，或是化疗后肿瘤完全消失的患者是否还需要放疗，医生之间还存在争论