Pozdní následky ionizujícího záření (stochastické) nejsou pro ozáření typické a nedají se lehce odlišit od jiného onemocnění, vyskytujícího se v každé populaci.

Na rozdíl od chronických onemocnění, která přetrvávají od doby ozáření, pozdní stochastické následky se objevují až po několikaleté době latence. Zhruba je možné rozdělit je do čtyř kategorií:

1) časový výskyt pozdních změn (latentní perioda) a jejich incidence jsou neovlivněny;

2) latentní perioda je nezměněna a incidence je vyšší;

3) latentní perioda je zkrácena a incidence je vyšší;

4) latentní perioda je zkrácena a incidence je stejná.

Samotné přežití akutní nemoci z ozáření ještě neznamená úplnou reparaci změn způsobených v organizmu zářením, naopak až u 17 % přežívajících lze odhalit ireparabilní buněčné změny. To je patrně příčinou zkrácení doby života v důsledku nenávratného poškození některých orgánů.

Závažným pozdním důsledkem ionizujícího záření je poškození chromozomů, kdy počet chromozómových aberací, resp. mutací závisí na výši aplikované dávky. Právě projevy urychleného stárnutí po ozáření jsou připisovány zvýšenému počtu mutací somatických buněk.

K projevům postradiačního poškození patří rovněž změny vedoucí k náhradě aktivní funkční tkáně biologicky méněcenným vazivem. Příčinou jsou pravděpodobně cévní změny dané jejich hyalinizací. K těmto změnám dochází nejspíše v důsledku hypoxie a špatné výživy tkání. Následkem jsou fibrotické změny, redukce vaskularizace, tím zvýšená citlivost tkání k traumatům, stresu, infekčním procesům a snížené funkční aktivity a obranyschopnosti tkání.

Těžkým zdravotním následkem radiace je rozvoj katarakty.

Průběh řady důsledků ionizujícího záření je značně komplikován infekčními procesy, vůči kterým je organizmus méně obranyschopný i v pozdější době po ozáření.

Nejvíce pozornosti je věnováno rozvoji postradiačních tumorů a leukémií. Blastomogenní účinnost ionizujícího záření je známa řadu let. K vyvolání neoplastických procesů ionizujícím zářením není nutná chronická expozice, ale postačí i jednorázové celotělové ozáření. Vznik maligního procesu je do jisté míry závislý i na skrytých chemických a metabolických změnách, které vznikají po ozáření v jednotlivých buňkách. Ionizující záření navodí molekulární změny, které vedou ke strukturálním změnám až k fragmentaci chromozomů. Následkem je nerovnoměrné rozdělení genetického materiálu v buňkách proliferující tkáně. Radiace působí excesivní změny v ozářených tkáních a vytváří podmínky pro sekundární nádorové změny. Svou roli zde hraje i anoxie tkání, způsobená již uvedenými cévními změnami.

Teratogenní účinky radiace v průběhu těhotenství závisí na období, kdy k ozáření došlo. Nejcitlivější je embryo v preimplantačním období. Předpokládá se, že minimální letální expozice je 0,1 Gy, plně letální 1 Gy pro jednotýdenní zárodek. Ozáření do 2. týdne po oplodnění má za následek zánik zárodku a potrat. V údobí organogeneze má ozáření za následek vznik četných chromozomových aberací v proliferujících tkáních, které svou přítomností naruší průběh diferenciačních a růstových pochodů s následkem vývojových anomálií a malformací. Větší poškození vede k prenatální, neonatální nebo postnatální smrti. V průběhu fetálního období stoupá radiorezistence plodu. Přetrvává sklon k vývojovým poruchám mozku, sítnice, gonád. Tím se zvětšuje perinatální a neonatální úmrtnost. Ozáření plodu v pokročilejším stádiu těhotenství má za následek pozdní somatické následky, hlavně tumory a leukémie v dětství.

Odhaduje se, že v ozářené populaci připadá na expozici 0,1 Gy až 5 % úmrtí plodů teratogenního původu. Nebezpečí ionizujícího záření ještě vzrůstá tím, že může v jeho důsledku dojít ke genetickým mutacím ve druhé i další generaci.