Cwm Taf Health Board och Macmillan Cancer Support söker planeringstillstånd på Llantrisants webbplats.
Välgörenhet kommer att betala 5 miljoner pund till enheten.
Med åtta sängar, skulle det ge slutenvård, öppenvård och dag palliativ vård för obotlig cancer och andra tillstånd.
Macmillans föreslagna bidrag, som är föremål för planeringsgodkännande, skulle vara den största enskilda investeringen i Wales.
Doktor Ian Back, konsult inom palliativ medicin vid Cwm Taf University Health Board, sade: "En ny toppmodern specialistenhet skulle ge patienterna den högkvalitativa vård de behöver i en bekväm miljö för både dem och deras nära och kära.
"Att bygga den nya enheten på Royal Glamorgan Hospital kommer också att se till att patienterna lättare får tillgång till specialisttester och behandling utan onödiga förflyttningar mellan sjukhus när de ofta är för dåliga."
För närvarande finns palliativ vård för cancerpatienter i länet på Pontyprids Cottage Hospital.
Detta innebär att patienterna måste överföras till Royal Glamorgan Hospital för att få tillgång till specialisttester och behandlingar, som hälsonämnden sade kan vara "svår och plågsam".
Susan Morris, chef för Macmillan Cancer Support i Wales, sade: "Efter omfattande samråd med personal och patienter, enheten skulle utformas med Macmillans expertis och förståelse för behoven hos människor med cancer och deras familjer, inklusive ett kök och gemensamma områden där de kan tillbringa tid tillsammans."
Om planerna godkänns förväntas arbetet starta senare i år med att centret eventuellt öppnar i slutet av 2018 eller början av 2019.
Planer för en specialist på cancervård på Royal Glamorgan Hospital i Rhondda Cynon Taff har presenterats.