La doxorubicina è impiegata, spesso in associazione con altri agenti antitumorali, nel trattamento di leucemia linfoblastica acuta, leucemia mieloblastica acuta, linfoma di Hodgkin e non-Hodgkin, sarcomi ossei e dei tessuti molli, neuroblastoma, tumore di Wilms e neoplasie maligne di vescica, mammella, polmone, ovaio, tiroide, stomaco. Non sembrano rispondere o rispondono in maniera insoddisfacente alla terapia con doxorubicina i tumori cerebrali, il carcinoma renale, il carcinoma della prostata, il melanoma maligno e il carcinoma del colon.