普遍認為，DNA分子是細胞內對放射線最敏感的靶分子，細胞對電離輻射反應的分子基礎是DNA損傷。
R射線可引起多種類型的DNA損傷：單鍵斷裂（SSB），雙鍵斷裂（DSB），堿基操作等。
這些損傷是射線直接作用于DNA的結果和源自細胞內水和其他分子放射性電離產生的自由基的間接作用。進一步的研究表明位于胞核週邊區的DNA是放射敏感區，放射敏感性與DNA損傷的修復相關，那些沒有修復的DNA是導致放射性損傷的主要原因。損傷DNA的細胞在繼續執行其功能，並完成一次或/和幾次細胞分裂後才失去存活功能。分裂進一步加劇使DNA失去功能和染色體畸變，並最終因無法保持自身結構和功能的完整性而死亡。射線不僅損傷DNA，並且幹擾其復制、轉錄功能，幹擾MRNA合成和基因表達。
