Tale terapia è di solito destinata al trattamento di quei pazienti che mostrano lesioni neoplastiche MIBG captanti alla scintigrafia ma che non rispondono più agli altri trattamenti disponibili. Le attività somministrate a scopo terapeutico sono molto più elevate di quelle usate a scopo diagnostico (in genere da 3,7 a 11,1 GBq per singolo trattamento), di conseguenza è assolutamente necessario bloccare l'uptake tiroideo dello iodio con le metodiche descritte nel paragrafo precedente per evitare di danneggiare tale organo. Nel trattamento del neuroblastoma di stadio avanzato il tasso di risposta è variabile dal 35% al 50%, con un'ottima tollerabilità da parte della popolazione pediatrica che lo riceve (tale trattamento è molto più efficace se usato in prima linea, da solo o in combinazione con la chemioterapia). Il trattamento del feocromocitoma e del paraganglioma inoperabili presenta un tasso di risposta vicino al 75%, con associato spesso importante calo dei livelli di catecolamine circolanti e riduzione dei sintomi da queste causati (riduzione del numero di crisi ipertensive). Nel trattare i paragangliomi è importante eseguire uno studio dosimetrico. Nel trattamento del carcinoma midollare della tiroide invece l'efficacia in letteratura risulta piuttosto bassa (questo tumore spesso capta poco l'MIBG, pertanto anche la casistica è limitata). In tale caso l'uso degli analoghi della somatostatina ha dato risultati migliori.