放射外科手术是指利用立体定向技术传递单一的大剂量照射。通常情况下，对于颅放射外科手术，将刚性神经外科框架连接到病人的头骨，并将立体定位装置与框架连接以提高靶向的准确性。目前已有商用的放射手术系统，其在不使用刚性神经外科框架的情况下也可实现固定。即使有大量的商业放射手术系统和立体定向放射治疗系统，这些系统都使用相同的基本原则：（1）病人的固定，（2）靶向准确性，（3）大剂量的照射，以及（4）陡峭剂量梯度的非均匀剂量分布。商用的放射手术系统包括伽玛刀，其利用203个钴放射源按半球形阵列排列；以及射波刀，其在治疗期间应用机器人技术，从而允许直线加速器（LINAC）实时跟踪病人的位置。标准的LINAC可在其头部配备锥束，从而使光束圆形准直。伽玛刀、射波刀治疗或配备锥的标准LINAC的剂量分布呈球形，因此治疗非球形靶需要多个球形剂量分布的叠加。配备多叶准直器的LINAC也可用于放射外科手术，其可允许更适形的光束整形。也称为放射外科手术（radiosurgery）、立体定位性放射外科手术（stereotactic radiosurgery, stereotaxic radiosurgery）。