La chemioterapia consiste nella somministrazione di farmaci in grado di uccidere tutte le cellule in rapida crescita, comprese quelle tumorali. Viene prescritta dai medici quando ritengono molto alto il rischio di una ricaduta (recidiva) o quando ci sia il sospetto che qualche cellula tumorale possa essere presente in altri tessuti del corpo (metastasi). Tali situazioni sono più probabili nel caso di astrocitomi di grado III e IV. La chemioterapia si avvale essenzialmente di temozolomide, carmustina e cisplatino, farmaci che attraversano più facilmente di altri la barriera ematoencefalica.