Con el desarrollo de la nanotecnología, se han diseñado varios tipos de sistemas de liberación de fármacos basados en polímeros para aplicaciones biomédicas. Los sistemas de liberación de fármacos basados en polímeros con una biocompatibilidad deseable pueden ser entregados de manera eficiente a los sitios tumorales con efectos pasivos o dirigidos y combinados con otros agentes terapéuticos y de imagen para la teranóstica del cáncer. Como un vehículo efectivo para la entrega de fármacos y genes, la polietilenimina (PEI) ha sido ampliamente estudiada debido a sus ricos grupos amino en la superficie y su excelente solubilidad en agua. En este trabajo, resumimos las modificaciones de superficie de la PEI para mejorar la biocompatibilidad y la funcionalización. Además, se discute la síntesis de nanopartículas basadas en PEI. También revisamos las aplicaciones de los sistemas de liberación de fármacos basados en PEI en el tratamiento del cáncer, la imagenología del cáncer y la teranóstica del cáncer. Finalmente, consideramos a fondo las perspectivas y desafíos relacionados con los sistemas de liberación de fármacos basados en PEI.