A differenza delle sostanze chimiche, le radiazioni ionizzanti colpiscono le molecole all'interno delle cellule in modo casuale. Se capita di trovare un cromosoma, esso può rompersi, portando ad un numero anormale, alla disattivazione di uno o più geni nella parte del cromosoma colpita, all'eliminazione di parti della sequenza di DNA, alla traslocazioni cromosomica o possono causare altri tipi di anomalie cromosomiche. Il danno maggiore porta normalmente alla morte cellulare, ma danni più piccoli possono far sopravvivere la cellula che, mutata, può essere in grado di proliferare e svilupparsi in neoplasia, soprattutto se geni soppressori sono stati danneggiati dalla radiazione. Tre fasi indipendenti sembrano essere coinvolte nella nascita di una neoplasia per causa delle radiazioni ionizzanti: cambiamenti morfologici alla cellula, acquisizione dell'immortalità cellulare e sviluppo di adattamenti che favoriscono la formazione di un tumore. Anche se la particella di radiazioni non colpisce direttamente il DNA, si innesca una risposta da cellule che indirettamente aumenta la probabilità di mutazioni.