La célula madre cancerosa es un tipo hipotético de célula madre que formaría tumores mientras que tendría las propiedades de las células madres como autorrenovación y la habilidad de diferenciarse en múltiples tipos de células. Una teoría sugiere que dichas células persisten en los tumores como una población distinta y causa la recaída y la metástasis al dar crecimiento a nuevos tumores. El desarrollo de terapias específicas apuntadas a las células madre cancerosas esperan mejorar la supervivencia y la calidad de vida de los pacientes con cáncer, especialmente para los que sufren de metástasis.

Los tratamientos de cáncer existentes fueron desarrollados principalmente con modelos de animales, donde las terapias capaces de promover la contracción del tumor eran consideradas efectivas. Sin embargo, los animales no pueden proporcionar un modelo completo de la enfermedad humana. En particular, la recaída del tumor es excepcionalmente difícil de estudiar en los ratones, cuyas vidas no exceden de dos años.

La eficacia de los tratamientos del cáncer está, en las etapas iniciales de prueba, a menudo medidas por la cantidad de la masa del tumor que matan. Puesto que las células madre de cáncer formarían una muy pequeña proporción del tumor, esto no necesariamente puede seleccionar las drogas que actúan específicamente en las células madre. La teoría sugiere que las quimioterapias convencionales matan células diferenciadas o diferenciándose, que forman el bulto del tumor pero que no puede generar nuevas células. Una población de células madre de cáncer que le dieron lugar, podría permanecer sin tocar y causar una recaída de la enfermedad.