Il fenomeno della ionizzazione consiste nella separazione di uno o di più elettroni dagli atomi o dalle molecole di cui fanno parte, che restano di conseguenza carichi positivamente. La ionizzazione non comporta quindi una generazione di carica elettrica netta, ma una messa a disposizione di cariche elettriche per successive ricombinazioni e reazioni all'interno della materia irraggiata. Questa è l'origine del danno biologico prodotto dalle Radiazioni Ionizzanti: in conseguenza della ionizzazione prodotta dalla radiazione si generano all'interno delle cellule nuove molecole o frammenti di molecole molto aggressivi dal punto di vista biochimico, in grado di danneggiare irreparabilmente a livello molecolare le strutture responsabili della funzionalità delle cellule, o dell'integrità del patrimonio di informazione genetica.

Il danno può essere immediato, se la dose di radiazione è tale da inibire direttamente le funzioni della cellula e dell'organo o degli organi di cui fanno parte, oppure ritardato nel tempo, in caso di danneggiamento del patrimonio genetico della cellula.

La quantità di energia della radiazione necessaria per produrre i danni, anche molto gravi, è, in termini assoluti, molto piccola: del tutto trascurabile rispetto alle energie in gioco nelle più comuni operazioni della vita quotidiana, quali il riscaldamento di un pentolino d'acqua, o l' infissione di un chiodo alla parete. Per esempio l'energia di un fascio di radiazioni ionizzanti in grado di indurre, se assorbita del corpo intero, la morte della persona irradiata entro trenta giorni con una probabilità del 50% ( un effetto dunque della massima gravità) produrrebbe, se completamente convertita in energia termica, un innalzamento della temperatura del corpo di un millesimo di grado centigrado, del tutto trascurabile, neppure misurabile. In confronto, la soglia fisiologica per l'insorgenza di effetti dovuti a riscaldamento da parte di radiazioni non ionizzanti ( onde radio, microonde, ...) è di 1 °C di aumento di temperatura del corpo o della parte interessata dall'irradiazione. Un riscaldamento, e quindi una quantità di energia in gioco ben maggiore, per produrre effetti di non paragonabile gravità!

Dunque, la pericolosità delle radiazioni ionizzanti non è dovuta ad un loro contenuto energetico elevato in termini assoluti, ma all'estrema efficacia distruttiva della loro azione nei confronti della struttura molecolare organizzata della materia vivente.