ينتج الإشعاع تأثيرين رئيسيين في الذرات والجزئيات 1- الإثارة 2- التأيين. وفي الإثارة تمتص الذرة (أو الجزيئ) الطاقة من الإشعاع، وتتحرك إلكتروناتها إلى مستويات الطاقة الأعلى. وفي معظم الحالات تستطيع الذرة المثارة الإمساك بالطاقة الزائدة لجزء من الثانية فقط، قبل أن تطلق الطاقة في شكل فوتون وتعود مرة أخرى إلى مستوى الطاقة الأدنى. وفي التأيين ينقل الإشعاع طاقة كافية إلى الإلكترونات في الذرة، تمكنها من ترك الذرة والانتقال في الفضاء. وتتحول الذرات التي تفقد إلكترونات إلى جسيمات موجبة الشحنة تسمى الأيونات الموجبة. أما الإلكترونات المفقودة فقد تنتقل إلى ذرات أخرى.
تؤثر الإثارة والتأيين على الأنسجة الحية أيضًا. فخلايا الجسم تحتوي على جزئيات تترابط الكثير منها معا بإلكترونات. وقد تتفكك هذه الروابط الكيميائية، ويتغير شكل الجزيء، عندما يثير الإشعاع جزئيات الخلايا أو يؤينها، ويؤدي مثل هذا التغيير إلى تعطل العمليات الكيميائية العادية للخلايا، وتصبح الخلايا شاذة، أو تموت.
وعندما يؤثر الإشعاع على جزيئات د ن أ (الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين) ، أي المادة الوراثية في الخلايا الحية، تسبب أحيانًا تغيرًا دائمًا يسمى الطفرة. وفي بعض الحالات النادرة قد تنقل الطفرات الناتجة عن الإشعاع خصائص غير مرغوبة إلى الجيل الجديد. وحتى الفوتونات المنخفضة الطاقة، وخاصة الأشعة فوق البنفسجية من الشمس، قد تسبب تدميرًا عن طريق الإثارة. وإذا كان تدمير المادة الوراثية للكائن الحي كبيرًا، تصبح الخلفية سرطانية، أو تموت أثناء محاولتها الانقسام. ويتوقف التأثير الناتج على القدرة التأيينية للإشعاع والجرعة المأخوذة ونوع النسيج المتأثر.