Anders als bei chemischen Schadstoffen gibt es bei ionisierender Strahlung in zellulären Dimensionen keine geringen Dosen; schon der Durchgang eines einzelnen Elektrons durch den Zellkern hinterläßt dort innerhalb von Mikrosekunden eine auf dessen Volumen gemittelte Dosis von etwa 2mGy, ein Alphateilchen sogar eine von 300mGy.

Nicht oder falsch reparierte Abschnitte in der DNA beeinträchtigen je nach Entwicklungsstadium der Zelle deren Funktion oder weitere Teilung. Insbesondere embryonale Zellen und Stammzellen (Zellen, die sich im Prinzip unbegrenzt oft teilen können) nutzen in ihrer Entwicklung sehr viele Anteile der Erbsubstanz und sind dementsprechend strahlenempfindlich, desgleichen solche Zellen, die sich während der Strahlenexposition vermehren. Diese Schädigungen schlagen mitunter erst ab bestimmten Schwellenwerten auf den Gesamtorganismus durch. Mitunter genügt aber auch schon ein kleiner Fehler in der DNA einer einzigen Stammzelle, um einen krankhaften Prozeß in Gang zu setzen.

Besonders gefährdet sind sich schnell erneuernde Populationen wie die weißen Blutkörperchen des Immunsystems oder das Dünndarmepithel, weil schon eine zeitweilige Blockade der Vermehrung der Zellen deren Funktion zusammenbrechen lassen kann; bei etwa 4 Gray kann der Tod innerhalb weniger Wochen eintreten. Erst ab einem sehr hohen Schwellenwert von Dutzenden von Gray werden die Zellen so umfassend zerstört, daß der sofortige Tod eintritt, weil Körperfunktionen akut ausfallen und das Zentralnervensystem versagt.

Dagegen wirken sich subtile Veränderungen der Erbsubstanz, insbesondere von Bereichen für die Regulation des Zellwachstums, noch Jahrzehnte später oder sogar in einer folgenden Generation aus, indem sie beispielsweise Krebs verursachen. Die Wahrscheinlichkeit dafür ist zwar äußerst gering, doch reicht, wie wir heute aus der Molekularbiologie wissen, theoretisch schon die Schädigung einer einzigen Zelle aus. Darum gibt es nach heutiger Lehrmeinung keinen Schwellenwert für die Krebsauslösung, und vieles spricht dafür, daß die Anzahl der kritischen strahleninduzierten Einzelereignisse proportional der Dosis ansteigt.

Da bis zur vollständigen Entartung zur Krebszelle meist mehrere Veränderungen in der DNA erforderlich sind, Ausnahmen sind eventuell einige Leukämien, ergeben sich aber bei niedrigen Dosen meist Jahrzehnte lange Latenzzeiten zwischen Bestrahlung und Geschwulstbildung.Es gibt experimentelle Hinweise, daß Strahlung stimulierend auf Zellfunktionen und Reparaturmechanismen wirken kann (solche Stimulationen sind jedoch nicht notwendigerweise biologisch vorteilhaft).

Unter bestimmten Bedingungen kann Bestrahlung das Immunsysten stimulieren und auch die Hormonregulation des Körpers beeinflussen. Weiters kann die Strahlung die Reparatur früherer Strahlenschädigungen bewirken und damit die Konsequenzen einer früheren Exposition verringern. Die meisten der experimentellen Daten sind jedoch nicht überzeugend. Die Ergebnisse der bei niedrigen Dosen durchgeführten Experimente sind im allgemeinen nicht statistisch signifikant, so daß die verfügbaren Daten über eine mögliche biopositive Strahlenwirkung (Hormesis) nicht ausreichend sind, um in Strahlenschutzstandards ihren Niederschlag zu finden.