Az ionizáló sugárzások az élő szervek sejtjeiben (illetve az azokat alkotó molekulákban) alapvető fizikai elváltozást hoznak létre, az ionizációt.
A töltéssel rendelkező részecskék közvetlenül, az elektromágneses sugárzások és a töltéssel nem rendelkező részecske-sugárzások pedig másodlagos töltött részecskék útján hozzák létre az anyagban az ionizációt.
Energiájuktól függően mind az elsődleges, mind pedig a másodlagos töltött részecskék kétféleképpen károsíthatják a biológiai makromolekulákat. A nagy energiájú részecskék esetében az ionizációs események és a károsodások közvetlenül a biológiai makromolekulákban alakulnak ki. A kis energiával rendelkező részecskék, mint például az elektronok energiája csak kis mértékben elegendő ahhoz, hogy közvetlen károsító hatást hozzon létre. Az elektronok elsősorban a szervezetben nagy mennyiségben jelenlevő vízmolekulákkal lépnek kölcsönhatásba és szabadgyökök keletkeznek.
A szabadgyökök olyan atomok vagy molekulák, amelyek a külső elektronhéjukon egy nem párosított elektront tartalmaznak, és ezért rendkívül reakcióképesek.
Az alapvető fizikai változások a továbbiakban kémiai, majd biológiai elváltozásokhoz vezethetnek. Az ionizáló sugárzásnak a legfontosabb sejten belüli célpontja a DNS molekula. A DNS a sugárzás hatására többféleképpen sérülhet, a legjellemzőbb sérülés típus a DNS kettős lánctörés, amikor a DNS molekula mindkét lánca eltörik. Ezt a károsodást a sejt rossz hatékonysággal tudja kijavítani, és a javítás eredményeképpen általában megváltozik a DNS lánc nukleotidjainak a sorrendje, vagyis mutációk épülnek be
