颅内肿瘤及脊髓肿瘤
质子治疗能够在将对脑部、脸部（眼、耳等）、脊髓等重要器官的副作用降至最低的同时，降低复发率
颅内、颅底以及脊髓肿瘤都是在与生存所必须的重要脏器（眼、耳等脸部器官，大脑、小脑、脊髓等神经系统）非常接近的位置发生，所以不仅难以进行有效的手术治疗，也因为担心副作用的产生而难以照射足够剂量的放射线，所以常有复发现象。尤其是在使用传统的一般放射线时，不仅可能会出现被高剂量放射线照射的大脑部位坏死等副作用，还有可能因为有放射线照射到距离肿瘤位置较远的周边正常脑组织尤其是海马体部位而导致脑部认知功能下降，并因此导致生活品质下降。
因为质子治疗是利用布拉格峰这一物理特性，所以能够大幅降低照射到周边正常脏器中的放射线剂量，尤其是因为没有放射线会照射到距离肿瘤位置较远的周边正常脑组织以及海马体部位等，有望减少长久以来因为放射治疗而导致的脑部认知功能下降的问题。
此外，如果在脊髓肿瘤中没有能够透过手术完全切除，则放射治疗有助于提升肿瘤的控制率，但是因为周边正常脊髓的放射线抗性较弱，通常无法照射充分剂量的放射线。利用质子治疗可以在不提升脊髓炎可能性的情况下提升放射线剂量，有望提升肿瘤控制率。
进行性肺癌的治疗效果对比
已有报告指出，对于颅底脊索瘤或软骨肉瘤患者，当无法进行手术或在术后有肿瘤残留时，能够利用质子治疗方式在不会导致副作用的状态下提升放射线剂量，从而提升肿瘤的控制率。
另外还有报告指出，在恶性胶质瘤进行X光治疗或短距离放射治疗时，放射线剂量的增加无法提升其临床治疗效果。但在利用质子治疗方式时，在不提升照射到大脑内部正常组织中的放射线剂量的情况下，其临床治疗效果优于先前的治疗效果。