由于白血病细胞遍布骨髓和其它许多器官，用手术治疗这种癌症是不行的。手术甚至对于诊断也没有什么作用，因为骨髓吸气和活组织切片检查足以诊断出白血病。治疗进行前，医生常常会把一根小塑料管（静脉插入器）插入大的血管。管端位于胸部或上臂皮肤下，可用来取血样和导入静脉药物，而不用刺破皮肤。小孩的父母学会照看静脉插入器非常重要。
放射疗法
用于治疗白血病的放射疗法只用来治疗脑膜和睾丸中的白血病细胞；也偶尔在紧急情况下用于治疗气管收缩。对后一种情况，用化学疗法取代放射疗法，效果会快一些。
化学疗法
化学疗法把抗癌药物注入肌肉、静脉、脑脊液或口服。这些药物进入血液循环，到达人体各个部位，从而使化疗对白血病这样已扩散的癌症能起作用。白血病治疗时要使用几种抗癌药物。某些白血病细胞发生基因变化，能抵抗化疗。多药耐药（MDR）基因的转变使白血病细胞把某些化疗药物从细胞内排到细胞外，使得细胞内积聚的药物剂量不足以杀死癌细胞。这种基因在治疗急性髓细胞性白血病（AML）和T细胞白血病时尤显重要。一般来说，治疗急性髓细胞性白血病（AML）会在短期内使用高剂量化疗药物；而治疗急性淋巴细胞性白血病（ALL）会在长期内使用低剂量化疗药物。
化疗药物能杀死癌细胞，但同时也会破坏正常细胞和引起副作用。这些副作用取决于药物种类、剂量及使用时间。癌症化疗药物攻击正在分裂产生新细胞的细胞。药物能起作用是由于癌细胞分裂和繁殖的持续时间比正常细胞的更长。然而，也有某些正常细胞如骨髓、口腔、肠道和毛囊里的细胞，分裂也很快。这些正在分裂的细胞是最易受到化疗破坏的。因此，儿童可能会由于白血球数降低导致毛发脱落、口腔疼痛、腹泻或呕吐以及抵抗感染的能力降低；也会由于血小板数降低导致瘀血和出血，以及由于红血球数降低导致疲劳。这些有关血细胞数量的问题，同样也会由白血病所引起。虽然这些问题在治疗初期会因为化疗作用变得很糟糕，但随着正常细胞的恢复和白血病细胞的消亡，情况会有所好转。副作用是暂时的，治疗结束后就会消失。
减少副作用有很多办法。化疗时可以服药来防止或减少恶心和呕吐。作为生长因子的药物可以提高白血球数量。
肿瘤消除综合症（TLS）是白血病细胞快速消亡所带来的化疗副作用。当白血病细胞被破坏后，它们释放出有害物质进入血液，会影响肾脏、心脏和神经系统。通过让儿童喝大量的水以及服用帮助人体处理这些物质的药物（如重碳酸盐和别嘌呤醇），可以预防出现这种情况。
直接遭受化疗药物损害的器官包括肾脏、肝脏、睾丸、卵巢、大脑、心脏和肺。只要小心监护，基本上不会出现致命的副作用。如果出现严重的副作用，就要减少或停止化疗（至少暂时性地）。因为对器官的某些副作用是永久性的，所以要小心监护和调整药物剂量。
急性淋巴细胞性白血病（ALL）治疗时的其中一个严重副作用是可能患上另一种白血病---急性髓细胞性白血病（AML）。其中5%接受治疗的病人在服用表鬼臼脂素和烷基化物等化疗药物后，出现了上述情况。儿童治愈白血病后也有患上非霍奇金淋巴瘤或其它癌症的危险。但是，这些危险不能否认化疗对于治疗白血病等病症的明显疗效。
