Je zřejmé, že může být ionizována kterákoli molekula v buňce, avšak jelikož voda se v celécytoplazmě vyskytuje nejčastěji, má zvláštní význam ionizace molekul vody.

H₂O → H₂O⁺ + e^-

Ionizace molekulu vody destabilizuje, takže se v krátké době (zhruba 10^-10 s) rozpadá na vodíkový ion (H⁺) a hydroxylový radikál (OH^.).

H₂O⁺ → H⁺ + OH^-

Radikály jsou nenabité molekuly, které mají lichý počet elektronů. Protože elektrony dávají přednost vzájemnému párování, činí jeden nespárovaný elektron (označený tečkou) radikál vysoce reaktivním. Může se pohybovat difuzí na krátkou vzdálenost od místa svého vzniku - jeho doba života je zhruba 10^-5 s a dosáhnout kritických biomolekul v buňce, které poškozuje. Může také samozřejmě reagovat s dalšími ionty či radikály, kde nejdůležitější reakce je s dalším radikálem OH^., která vede k vytvoření peroxidu vodíku, H₂O₂ - vysoce účinného oxidačního prostředku, který je schopen poškozovat biomolekuly.

Odštěpený elektron zůstává stabilní po značně delší dobu než hydroxylový radikál - řádu 10^-3 s. Je tomu tak proto, že molekuly vody jsou malé elektrické dipóly, které se uspořádají okolo elektronu jako obal s orientací svých kladných konců dovnitř a negativních konců ven. Elektron potom nazýváme „hydratovaným". Dále reaguje s biomolekulami nebo jinými ionty a radikály. Důležitou rychlou reakcí, které se podrobuje před svou hydratací, je vytváření radikálů H^. spolu s ionty H⁺.

„Hodnota G" je počet radikálů daného druhu vytvořených na 100 eV absorbované energie. Ve vodném roztoku je obvykle 2,3 pro radikály OH^., 2,3 pro hydratované elektrony a 0,6 pro radikály H^.. To nejsou jediné vytvářené reaktivní složky, avšak jsou nejdůležitější.

V přítomnosti kyslíku, tj. za podmínek normálních pro většinu živočišných a rostlinných buněk, je účinek radikálů na biomolekuly dále zvýšen. Ukazuje se, že kyslík reaguje s těmi místy, které byly napadeny radikály, a tím upevňuje poškození. Protože k tomu nedochází v nepřítomnosti kyslíku, může se část poškozených molekul vrátit k normálnímu stavu a biologické působení záření není tak silné; je obvykle dvakrát až třikrát slabší. Tento jev se nazývá „radiobiologický kyslíkový efekt". Má určitou důležitost pro radioterapii, protože  nádory často obsahují oblasti, které jsou hypoxické (mají nízkou koncentraci kyslíku) následkem sníženého zásobování krví. Napadení biomolekulradikály lze rovněž uměle potlačit, například látkami obsahujícími SH skupiny (thiolové skupiny), jako je aminokyselina cystein. Působí jako látky zachycující radikály a snižují biologické působení na polovinu až třetinu, podobně jako nepřítomnost kyslíku. Některé z nich byly navrženy jako radioprotektivní látky pro osoby ohrožené radiační expozicí, avšak jsou všechny ve větší či menší míře toxické. Nejslibnější látkou tohoto typu je dosud amifostine (blíže kapitola 10.4.1), který byl použit v klinických studiích pro snížení vedlejších účinků radioterapie.