Säteilyvaikutus kohdistuu kaikkiin solunosiin. Kun sekä tuman että muiden soluelinten toiminta häiriintyy, normaali solunjakautuminen estyy.
Säteilyaltistus tulee nopeasti esiin verenkuvassa: jo muutaman päivän kuluttua altistuksesta valkosolujen määrä vähenee selvästi. Suuri osa imusoluista tuhoutuu pian säteilyaltistuksen jälkeen.
Sen sijaan pitkäikäisempien punasolujen osuus pienenee vasta viikkojen päästä altistuksesta. Koska säteily vaikuttaa kielteisesti solunsisäisiin kemiallisiin reaktioihin, solujen toiminnassa esiintyy erilaisia häiriöitä, jotka lisäävät mutaatioiden määrää. Tällöin vaara sairastua syöpään kasvaa.
Säteily vaikuttaa myös sukupuolirauhasiin ja sukupuolisoluihin, joiden perintötekijöissä tapahtuvat muutokset voivat siirtyä jälkeläisille. Säteilyaltistuksella voi olla pitkäaikaisvaikutuksia sekä lisääntymiskykyyn että jälkeläisten elinkelpoisuuteen.
Tutkimuksissa on saatu viitteitä siitä, että säteilyn saastuttamilla alueilla syntyneiden lasten sukupuolijakauma voi muuttua ja keskenmenojen määrä kasvaa. Myös vastasyntyneiden ja imeväisikäisten kuolleisuus saattaa kohota ja epämuodostumat sekä syöpäsairaudet yleistyä.
Fysiologisten vammojen vakavuuteen vaikuttaa ratkaisevasti säteilymäärä. Mittayksikkönä on gray (lyhenne Gy), joka osoittaa säteilyn kohteeseen luovuttaman energiamäärän massayksikköä kohti. Jo 0,5 grayn annos näkyy verinäytteissä.
Noin 1 grayn annos aiheuttaa säteilysairauden, jonka oireita ovat pahoinvointi ja väsymys. 2–6 grayn annoksella on vakavia fysiologisia seurauksia, jotka edellyttävät pikaisia hoitotoimenpiteitä. Kun annos ylittää 6 grayta, luuydin tuhoutuu ja ihminen menehtyy.
