Lösemi hastalığında genellikle ilaç tedavisinden olumlu yanıt alınamadığında veya özel durumlarda kemik iliği nakli yapılabilir. Bu tedavide amaç, kan hücrelerinin yapımında rol oynayan sağlıklı ana kök hücrelerin hastaya verilmesidir. Bu sayede hastalarda kan yapımı normal düzeye çekilir.

Hastalardan ameliyathane koşullarında genel anestezi uygulanarak ilik toplama işlemi yapılır. Bu işlemde özel iğneler yardımıyla kemiğin içine girilir ve buradan ilik çekilir. Alınan ana kök hücreler, özel torbalar içinde filtre edilerek bekletilmeden hastaya damar yolu ile verilir. Alınan ana kök hücreler oldukça az miktarda olduğu için, vericilerde herhangi bir sorun ortaya çıkmaz.

Yapılan nakil işleminden en fazla 3 hafta içinde, sağlıklı ana kök hücreler sayesinde kan hücreleri hızlı bir şekilde yapımına başlar. Hastaya verilen iliğin reddine engel olmak için, en az 6 ay süreyle koruyucu bazı tedaviler uygulanır. Bu tedavinin başarı oranı %43-83 arasında değişir ve bu oran vericinin ve hastanın durumuna göre belirlenir.

Tedavi sırasında ve sonrasında bazı komplikasyonlar ortaya çıkabilir. Uzun dönemde hastalarda yeniden lösemi veya diğer kanser türleri görülebilir. Ancak, buna rağmen ilik alımı ve nakli tedavileri genellikle başarılı sonuçlar vermektedir.

İlik nakli, sadece lösemi değil, aynı zamanda bazı lenfoma türleri, aplastik anemi ve bazı kalıtsal kan hastalıkları gibi diğer ciddi durumlar için de uygulanabilir. Nakil öncesinde ve sonrasında hastaların kapsamlı bir şekilde izlenmesi gerekmektedir. Ayrıca, verici ve alıcı arasında yüksek uyumluluk gereklidir ki bu da başarı oranını arttırır.