Pravděpodobně nejdůležitější skutečností týkající se působení ionizující záření je jeho  kvantová povaha. Radiační energie se neabsorbuje hmotou postupně nebo po malých přírůstcích, jako je tomu například v případě tepelné energie, avšak po diskrétních množstvích zvaných kvanta. Proto Friedrich Dessauer, jeden ze zakladatelů radiobiologie, razil název „Kvantová biologie" pro zdůraznění nespojité povahy primárních událostí při působení radiace na živou (stejně tak jako neživou) hmotu.

  Primární událostí při působení ionizujícího záření je absorpce diskrétního množství energie atomem nebo molekulou a její využití na ionizaci téhož či jiného atomu nebo molekuly. Ionizace je obecně oddělení nábojů; zde se týká oddělení elektronu z atomu nebo molekuly, ke kterému byl dosud vázán. Taková ionizace vyžaduje minimální energii, jejíž přesné množství závisí na složení absorbujícího materiálu. Ve vodném roztoku, jako je cytoplazma, je její hodnota v průměru zhruba 33 eV. Proto jakýkoliv druh záření, který není schopen dodat při jedné absorpční události 33 eV, nemůže ionizovat.

V případě elektromagnetického ozáření odpovídá energie 33 eV přenesená jedním fotonem vlnové délce 40 nm (je třeba si uvědomit, že energie fotonu a vlnová délka jsou ve vztahu daném rovnicí E = h*f = h*c/λ, kde E je energie fotonu, f je frekvence, h je Planckova konstanta a λ je vlnová délka). Proto má ionizující záření maximální vlnovou délku 40 nm a záření s delší vlnovou délkou není ionizující. V prvním případu jde například o záření γ a rentgenové záření, ve druhém případu o ultrafialové světlo, viditelné světlo - včetně laseru, infračervené světlo, mikrovlny a radiovlny.

Fotony interagují s elektrony a tím ionizují atomy nebo molekuly hlavně dvěma cestami:

• pomocí fotoelektrického jevu;  
• Comptonova efektu.  

V obou případech může elektron mít dostatečnou energii, aby zasáhnul četné další elektrony, a oddělil je od jejich atomů či molekul a tyto elektrony mohou opět provádět další ionizaci atd., takže absorpce jediného fotonu vede k celé kaskádě ionizačních dějů.

Existují další typy ionizujícího záření, zejména proudy částic. Urychlené elektrony,  protony či částice α mohou způsobovat totéž co elektrony uvolněné elektromagnetickým zářením a vyvolávají kaskády ionizačních událostí. K tomu všemu dochází, protože tyto částice nesou  náboj a mohou přímo interagovat s elektrony vázanými na atomy nebo molekuly. Neutrony toho nejsou schopny, protože nemají žádný náboj. Mohou však interagovat s protony v  atomovém jádru. Ty mají podobnou hmotnost a mohou být proto vyraženy ze svého místa obdobným způsobem jako se může účinně převést energie mezi kulečníkovými koulemi o přibližně stejné hmotnosti. Vyražené protony mohou potom vytvářet ionizační kaskády, jak popisujeme výše.

Proto je v souhrnu prvním dějem jakéhokoliv působení ionizujícího záření absorpce diskrétního množství energie, která se využije k ionizaci atomu nebo molekuly. I když je ve většině praktických případů vyvolána celá kaskáda ionizačních dějů, mohou některé chemické a biologické účinky být způsobeny jednotlivou ionizací. Jiné účinky vyžadují minimální počet ionizačních dějů. Avšak v každém případě je to kvantový děj: absorpce ano či ne, ionizace ano či ne, který zde může nastat.