Dringen ionisierende Strahlen, ob elektromagnetische Wellen oder geladenen Teilchen in das Gewebe ein, können wichtige Moleküle, insbesondere die Erbsubstanz, beschädigt werden. Dagegen hat der Körper Reparatur- und Anpassungsmechanismen zur Verfügung, die aber versagen können, etwa wenn die Strahlungsintensität zu hoch ist.

Heute weiß man recht genau, wie Photonen und schnelle Ionen ihre Energie übertragen und die Erbsubstanz (Desoxyribonukleinsäure, DNA) schädigen: in Biomolekülen ionisieren sie gebundene Atome und spalten Zellwasser zu hochreaktiven Wasser-Ionen und -Radikalen, die ihrerseits die DNA angreifen; diese Wirkung beschränkt sich auf die unmittelbare Umgebung der Pfade der Strahlen.

Der sogenannte Primärschaden an der DNA wird entweder fehlerfrei repariert oder bleibt als Dauerschaden im genetischen Informationsspeicher der Zellen. Weil Alphateilchen im Vergleich zu Betateilchen und Gammastrahlung besonders dicht ionisieren, erzeugen sie vermehrt Doppelstrangbrüche in der DNA.

Während es für Einzelstrangbrüche einfache und effektive Reparaturmechanismen gibt, verfügt die Zelle beim Bruch beider DNA-Ketten nur über komplizierte und fehlerbehaftete Reparaturpfade. Darum ist Alphastrahlung biologisch viel wirksamer als Beta- oder Gammastrahlung.

Zusätzlich zur Energiedosis (der auf Materie übertragene Energie in Gray; 1Gray = 1J/kg), gibt man darum als Maß für das Risiko die sogenannte Äquivalentdosis (in Sievert) an, die noch einen (dimensionslosen) Faktor für die unterschiedliche biologische Wirksamkeit der Strahlenarten enthält.