Biologické účinky ionizujícího záření mají původ v jeho působení na buněčné úrovni, což má pak za následek vliv na příslušné tkáně, orgány i celý organismus. Při interakci záření s buňkou se rozlišuje několik stádií: fyzikální, fyzikálně chemické, chemické.

Fyzikální stádium se odvíjí bezprostředně od okamžiku absorpce energie v buňce, kde došlo k excitaci a ionizaci atomů a molekul. Tento primární proces je extrémně krátký a trvá v rozsahu 10^-16 až 10^-14 s.

Fyzikálně chemické stádium zahrnuje proces disociace molekul a následnou tvorbu radikálů. Tyto děje mají za následek vznik kationtů H⁺, hydroxylových aniontů OH^- a dalších nestabilních produktů jako např. peroxid vodíku H₂O₂, atomární kyslík O ₂, nebo HO₂. Doba tohoto procesu je odhadována na 10^-14 až 10^-10 s.

V dalším stádiu - chemickém - ionty, radikály a excitované atomy reagují s molekulami buňky, čímž může dojít k narušení molekuly deoxyribonukleové kyseliny (DNA) formou jednoduchých nebo dvojných zlomů. Celý proces probíhá v intervalu, jehož trvání je od 10 ^-3 až do 10 s.

Je zřejmé, že konkrétní účinky záření budou záviset na hustotě ionizace resp. depozice energie podél dráhy nabitých částic. V tomto ohledu budou těžké nabité částice mnohem účinnější při vyvolání poškození než řídce ionizující částice.

Z hlediska toho, zda se výsledné biologické účinky projeví na ozářené osobě nebo na jejím potomstvu, rozeznáváme účinky somatické a genetické (obr. 20).

Obr. 20. Biologické účinky ionizujícího záření s ohledem na postižené osoby

V obou případech, tj. somatických, resp. genetických účincích, se může principiálně jednat o stochastické nebo deterministické účinky (obr. 21).

Obr. 21. Biologické účinky ionizujícího záření s ohledem na charakter postižení.