Habis tümörlerin ilaçla tedavi edilmesi yöntemidir. Yetişkin hastalara medikal  onkolog tarafından tedavi uygulanır; çocuk hastalarda bu tedavi pediatrik onkolog tarafından uygulanır. Genellikle hastanede yatarak ve damardan serum ile verilir. Ancak bazı kemoterapi türleri ayaktan, yani günübirlik yatış yapılarak, veya ağızdan tablet formunda da verilebilir. Her kemoterapi dönemine “kür” veya “siklus” adı verilir. Kemoterapi ilaçları, yüksek toksisiteye sahip ilaçlardır. Bu ilaçların uygulanması sırasında bulantı-kusma, saç dökülmesi, iştah kaybı ve ishal, sık görülen yan etkilerdir. Her kür bitiminde genellikle kemik iliği hücrelerinin etkilenmesine bağlı olarak kan sayımı değerleri ciddi şekilde düşer ve hastalar enfeksiyona son derece duyarlı hale gelir. Bu dönemde hastalarda nötropenik ateş denilen tablo görülebilir ve hastanın enfeksiyondan koruma veya enfeksiyon tedavisi amacıyla hastaneye yatırılması gerekebilir. Özellikle sarkom tedavisinde, tümör üzerinde maksimum öldürücü etki sağlamak ile hastada ölümcül komplikasyonlara yol açmak arasında çok ince bir çizgi vardır. Kemoterapinin uzun vadeli etkileri ile ilgili de hastanın mutlaka onkolog tarafından bilgilendirilmesi gerekir.

Yüksek dereceli, yani hızlı büyüyen sarkomlarda genellikle ameliyat öncesinde kemoterapi uygulanır. Buna preoperatif, neoadjuvan veya indüksiyon kemoterapisi denir. En klasik örneği osteosarkom ve Ewing Sarkomu’dur. Tanı anında yapılan evrelemede akciğerler temiz görünse bile hastalığın mikrometastazlar yapmış olabileceği ka”bul edilir. Preoperatif kemoterapi ile hem ana tümör kitlesi küçültülmeye çalışılır hem de sistemik yayılımın önüne geçilmeye çalışılır. Osteosarkomda standart olarak pre- ve postoperatif 3’er kür olmak üzere 6 kür kemoterapi verilir; ameliyat öncesi ve sonrasındaki 3 kürlük dönemler genellikle 2’şer ay sürer. Ewing Sarkomu’nda ise toplam kemoterapi genellikle 1 yıl veya 13 kür  sürer. İlk 4 kürden sonra tümörün yanıtı değerlendirilerek cerrahi kararı verilir veya tamamlayıcı tedavilerle devam edilir. Kemoterapi, yumuşak doku sarkomları ve kondrosarkomların, yalnızca çok yüksek dereceli veya farklılaşmamış olarak  nitelenen türlerinde etkili olur.