Místem působení záření v buňkách je DNA a mechanismem je indukce poškození DNA. Toto poškození může být pro buňku letální okamžitě nebo po několika buněčných děleních. Za určitých okolností může však poškození být relativně bez efektu na aktuální životaschopnost buněk a může vnášet do genomu buněk chybné informace. Pokud jsou tyto chyby vneseny do genů souvisejících s kancerogenezí (onkogenů nebo spíše tumor-supresorových genů), je učiněn první krok ke vzniku zhoubného nádoru. Za velmi pozdní následky radioterapie tedy označujeme vznik sekundárních zhoubných nádorů. Toto riziko není vysoké u pacientů léčených v pokročilém věku, je ho však třeba v úvahu při léčbě mladých pacientů a zejména dětí.