Programirana smrt celice se imenuje apoptoza, dogodek, ki ga običajno povzroči notranja poškodba ali signali iz okoliških tkiv. Apoptoza in rak sta povezana na dva pomembna načina. Prvič, tumorji ne morejo rasti, če jih normalni varnostni sistem v telesu zazna in sproži njihovo samouničenje, zato rak pogosto blokira mehanizme, s katerimi telo označuje nenadzorovano rast tkiva za apoptozo. Drugič, rakave celice inaktivirajo gene, ki kodirajo potrebne beljakovine za uničenje malignih celic. Kemoterapije izkoriščajo razmerje med apoptozo in rakom tako, da poškodujejo tumorje in jih označijo za smrt.
Apoptoza se pojavi, ko kemični signali sprožijo proces samouničenja znotraj celice s spremembami v membrani, razgradnjo DNK v jedru in prebavo celičnih beljakovin s pomočjo specializiranih encimov. Obstajata dve vrsti poti, zaradi katerih se celica podvrže apoptozi: intrinzična, ki jo sprožijo mutacije DNK, in zunanja, ki vzame svoje namige od zunaj celice. Zunanjo pot lahko sprožijo hormoni, toksini in druge molekule, ki lahko aktivirajo posebne lokacije na celici, znane kot receptorji smrti.
V zgodnjih fazah nastanka tumorja se pojavijo mutacije znotraj DNK, ki spremenijo razmerje med apoptozo in rakom, kar omogoča nenadzorovano rast celic. Rak vključuje patološke spremembe cikla, s katerim se celice razmnožujejo in razmnožujejo, dogodke, ki običajno sprožijo apoptozo, ko jih odkrijejo v zdravih celicah. To se včasih naredi z zatiranjem genov, ki kodirajo pomembne beljakovine, ki jih telo uporablja za signaliziranje rakavih tkiv za izločanje z apoptozo. Tumorji lahko izločajo tudi kemične prenašalce, ki zmedejo ali blokirajo proces, ki bi običajno naročil rakavim celicam, da se samouničijo.
Pomemben gen, p53, kodira beljakovine sporočil, ki povzročajo apoptozo. Nekateri raki, ki jih povzročajo virusi, zavirajo aktivacijo tega gena in naredijo tumorske celice manj odzivne na aktivacijo smrtnih receptorjev. Ne glede na to, ali jih povzročajo virusi ali ne, se pri tumorjih poveča celična proizvodnja snovi, ki spodbujajo rast. Običajno se telo na nenadzorovano proliferacijo določene vrste celic odzove tako, da povzroči množično apoptozo, vendar se med onkogenezo – nastajanjem raka – ravnotežje med apoptozo in rakom nagiba proti rasti celic, ne smrti.
Kemoterapevtsko zdravljenje je pogosto odvisno od razmerja med apoptozo in rakom. Večina teh zdravil moti tudi sintezo DNK in celično delitev ali rast, vendar ti mehanizmi na koncu delujejo tako, da uničijo tumorske celice, preden se razdelijo in naredijo več kopij samih sebe. Različna zdravila aktivirajo različne točke vzdolž poti, ki vodijo tudi do programirane celične smrti, včasih s povečanjem občutljivosti smrtnih receptorjev na tumorskih celicah. Ker se nekatere malignosti ne odzivajo več na signale samouničenja, so znanstveniki zainteresirani za razvoj kemoterapij, ki lahko neposredno sprožijo naravne dogodke apoptoze.