Los efectos nocivos producidos por las radiaciones ionizantes se clasifican en somáticos y hereditarios; son somáticos si se manifiestan en el individuo expuesto y son hereditarios si se presentan en la descendencia del individuo irradiado. Ambos efectos se clasifican en estocásticos y determinísticos (no-estocásticos).

Los estocásticos son aquellos para los cuales la probabilidad del efecto es una función de la dosis y no su gravedad; además, no se conoce si tienen umbral. Los principales efectos estocásticos son los hereditarios y la carcinogénesis; este último es un efecto somático de importancia crítica para la protección radiológica.

Los efectos determinísticos son aquellos en los que la gravedad del efecto es una función de la dosis, y tienen umbral por debajo del cual estos efectos no se manifiestan; por ejemplo, los efectos agudos de la irradiación, la radiodermitis y sus secuelas, los efectos en órganos producidos secundariamente por irradiaciones vasculares, las cataratas en el cristalino. Se conoce este tipo de efecto por estudios realizados en lesiones agudas por irradiaciones en el individuo, como en los casos de Hiroshima y Nagasaki, accidentes con radiaciones, irradiación deliberada con fines terapéuticos y experimentos con animales. Algunos de los efectos determinísticos más importantes en los tejidos y órganos se deben a lesiones celulares y pérdida de capacidad reproductiva. El funcionamiento normal de los órganos y tejidos depende del grado de diferenciación de las células, las cuales dependen del sistema de renovación del cual hacen parte  y que representa un equilibrio entre la formación, proliferación, diferenciación y muerte. Los sistemas de renovación rápida son, en general, los primeros en sufrir efectos determinísticos; así, la piel y los tejidos hematopoyéticos se consideran los más radiosensibles, mientras que las células del tejido nervioso y muscular son las más resistentes. Así mismo, el éxito de las radiaciones para el tratamiento de algunos tipos de cáncer está en que las células de estos tumores se reproducen muy rápidamente y, por tanto, son muy radiosensibles.

Los efectos biológicos de las radiaciones ionizantes son la consecuencia de un número de fenómenos desencadenados por el pasaje de radiación a través de un medio. Cada uno de los eventos interactivos entre la radiación y la materia involucra la transferencia de una cantidad de energía al medio; los eventos iniciales son ionizaciones y excitaciones de átomos y moléculas del medio a lo largo de las trayectorias de las partículas ionizantes. A partir del depósito de energía ocurren eventos fisicoquímicos, en particular la radiólisis del agua, que conducen a daños indirectos o convergen con daños directos en el volumen blanco. En resumen, un efecto biológico dado depende del tipo de partícula, de la energía de la radiación incidente, de la transferencia lineal de energía (LET, su sigla en inglés), la dosis y la distribución temporal de la dosis al medio biológico.

Daños causados por radiaciones ionizantes

Los daños causados por las radiaciones ionizantes a moléculas de ADN dependen de factores, como tipo de radiación, condiciones de irradiación, características del ADN y capacidad de reparación. Los efectos de las radiaciones ionizantes en la molécula del ADN son fracturas simples y dobles de la cadena, alteraciones estructurales de las bases, eliminación de las bases generando sitios apurínicos y apirimidínicos (sitios AP), daños en el azúcar, uniones cruzadas entre ADN-ADN o entre ADN-proteína, y rompimiento de los puentes de hidrógeno. Las fracturas dobles resultan de dos fracturas simples en puntos diametralmente opuestos, o con desfase de hasta tres nucleótidos. Las fracturas dobles llevan a la fragmentación de la molécula y dan origen a las aberraciones cromosómicas estructurales; son, además, las principales responsables de los efectos mutagénicos y oncogénicos de las radiaciones ionizantes.