Il principio fondamentale della radiochirurgia è quello della ionizzazione selettiva dei tessuti, mediante fasci di radiazioni ad alta energia. La ionizzazione è la produzione di ioni e radicali liberi che danneggiano le cellule. Questi ioni e radicali, che possono formarsi dall'acqua nella cellula o da materiali biologici, possono produrre danni irreparabili a DNA, proteine e lipidi, provocando la morte della cellula. Pertanto, l'inattivazione biologica viene effettuata in un volume di tessuto da trattare, con un preciso effetto distruttivo. La dose di radiazioni viene solitamente misurata in gray (un gray (Gy) è l'assorbimento di un joule di energia per chilogrammo di massa). Un'unità che tenta di prendere in considerazione sia i diversi organi irradiati sia il tipo di radiazione è il sievert, un'unità che descrive sia la quantità di energia depositata che l'efficacia biologica.