במצבים בהם גידול סרטני של הריאה לא ניתן לכריתה בניתוח, אבל הוא מוגבל לריאות ולמרכז בית החזה, הוא מוגדר כגידול בשלב 3 (הסבר על שלבי המחלה). במצב זה יינתן לעיתים טיפול המשלב כימותרפיה וקרינה בו-זמנית. טיפול כזה עשוי להיות קשה יותר ולגרום ליותר תופעות לוואי לחולה, אולם יש אפשרות שטיפול כזה ירפא את מחלת הסרטן, גם ללא ניתוח.
הטיפול המשולב כולל בדרך כלל 6 שבועות של קרינה יומיומית (5 ימים בשבוע) ומספר טיפולי כימותרפיה. לעיתים מציעים מספר טיפולים כימותרפיים נוספים אחרי סיום הקרינה. הגוש הגידולי בדרך כלל מצטמק עם הטיפולים, אולם לא תמיד, וכמעט תמיד יישאר גוש במקום בו היה הגידול. במקרים רבים אין דרך לדעת אם הגוש שנשאר אחרי הטיפולים הוא גידול שיתעורר בהמשך, או רקמת צלקת בלבד.
ביופסיה מהגוש לעיתים תאפשר אבחנה בין שתי אפשרויות אלו, אולם בדרך כלל אין הצדקה לביופסיה. זאת מאחר שמתן טיפולים נוספים תלוי במהלך הקליני של המחלה, כלומר בשאלה אם הגוש גדל, או קטן או נשאר ללא שינוי. חולים שסיימו טיפול משולב כימו-קרינתי כזה נמצאים במעקב הדוק של בדיקות רופא והדמיה מדי מספר חודשים כדי לאפשר אבחון של חזרת המחלה בשלב מוקדם, במידה ותתרחש.
יש לציין כי הטיפול במחלת סרטן מסוג תאים לא קטנים בשלב 3הוא נושא השנוי במחלוקת, ואין גישה אחת שכל העוסקים בתחום מסכימים עליה.