Programirana smrt stanice naziva se apoptoza, događaj obično uzrokovan unutarnjim oštećenjem ili signalima iz okolnih tkiva. Apoptoza i rak povezani su na dva važna načina. Prvo, tumori ne mogu rasti ako ih normalni sigurnosni sustav unutar tijela otkrije i pokrene njihovo samouništenje, tako da karcinomi često blokiraju mehanizme kojima tijelo označava nekontrolirani rast tkiva za apoptozu. Drugo, stanice raka inaktiviraju gene koji kodiraju potrebne proteine za uništavanje malignih stanica. Kemoterapije iskorištavaju odnos između apoptoze i raka tako što oštećuju tumore i označavaju ih za smrt.
Apoptoza se događa kada kemijski signali pokreću proces samouništenja unutar stanice, kroz promjene na membrani, razgradnju DNA u jezgri i probavu staničnih proteina specijaliziranim enzimima. Postoje dvije vrste puteva koji će učiniti da se stanica podvrgne apoptozi: unutarnji, koji je pokrenut mutacijama DNK, i ekstrinzički, koji uzima svoje znakove izvan stanice. Ekstrinzički put mogu potaknuti hormoni, toksini i druge molekule sposobne aktivirati posebna mjesta na stanici poznata kao receptori smrti.
Tijekom ranih faza formiranja tumora javljaju se mutacije unutar DNK koje mijenjaju odnos između apoptoze i raka koji dopuštaju nekontrolirani rast stanica. Rak uključuje patološke promjene u ciklusu u kojem se stanice razmnožavaju i razmnožavaju, događaje koji normalno pokreću apoptozu kada se otkriju unutar zdravih stanica. To se ponekad postiže potiskivanjem gena koji kodiraju važne proteine koje tijelo koristi da signalizira kancerogena tkiva za eliminaciju apoptozom. Tumori također mogu lučiti kemijske glasnike koji zbunjuju ili blokiraju proces koji bi obično naložio stanicama raka da se podvrgnu samouništenju.
Važan gen, p53, kodira proteine glasnike koji uzrokuju apoptozu. Neki karcinomi uzrokovani virusima potiskuju aktivaciju ovog gena i čine tumorske stanice manje osjetljivima na aktivaciju receptora smrti. Bez obzira na to jesu li uzrokovane virusima ili ne, u tumorima je povećana stanična proizvodnja tvari koje pospješuju rast. Normalno, tijelo reagira na nekontroliranu proliferaciju određene vrste stanica izazivanjem masovne apoptoze, ali tijekom onkogeneze – stvaranja raka – ravnoteža između apoptoze i raka naginje se prema rastu stanica, a ne smrti.
Kemoterapijski tretmani često ovise o odnosu između apoptoze i raka. Većina ovih lijekova također ometa sintezu DNK i staničnu diobu ili rast, ali ti mehanizmi u konačnici rade na uništavanju tumorskih stanica prije nego što se podijele i naprave više kopija samih sebe. Različiti lijekovi aktiviraju različite točke duž puta koji također vodi do programirane stanične smrti, ponekad povećavajući osjetljivost receptora smrti na tumorskim stanicama. Budući da neke maligne bolesti više ne reagiraju na signale samouništenja, znanstvenici su zainteresirani za razvoj kemoterapije koje mogu izravno inducirati događaje prirodne apoptoze.