Durch ionisierende Strahlung erzeugte Radikale richten in der Regel größeren Schaden durch nachfolgende chemische Reaktionen an als die Zerstörung des ersten Moleküls durch die Strahlung allein. Diese Wirkung ist, etwa bei der Krebsbekämpfung, erwünscht, da sie das Absterben getroffener Zellen, in diesem Fall idealerweise Tumorzellen, begünstigt.
Über das Ausmaß der Schädlichkeit gehen die Ansichten auseinander:
Ab kurzfristiger Belastung von etwa 0,2 bis 1,0 Sv tritt die Strahlenkrankheit auf. 4 Sv als Kurzzeitbestrahlung sind in 50 % der Fälle tödlich, 7 Sv sind sicher tödlich. Sie äußert sich durch ein geschwächtes Immunsystem und Verbrennungen. Ohne Zweifel werden ab einer hohen Strahlendosis (größer als etwa 2 Sv) so viele Moleküle mit biologischer Funktion auf einmal zerstört, dass betroffene Zellen nicht mehr lebensfähig sind. Es entstehen auch zu viele giftige Substanzen durch den Zerfall von Molekülen, die die Zelle abtöten. Auf molekularer Ebene ist unter anderem die schädigende Wirkung von, durch Radiolyse entstehenden, Radikalen beteiligt. Als Langzeitfolge sind auch Veränderungen des Erbguts häufig, die mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit in Krebs münden können, vor allem aber in Mutationen, die zu Missbildungen an Nachkommen oder sich entwickelnden Embryonen/Föten sowie totaler Sterilität (Unfruchtbarkeit) führen können (siehe auch Strahlenrisiko).
Bei mittleren Lebensdosen um 0,1 Sv, was etwa der Dosis entspricht, die ein Mensch im Verlauf von 76 Jahren durch die ständig vorhandene natürliche Strahlung von (in Deutschland) bis zu 1,3 mSv/a aufnimmt, gibt es keine auffallenden Beobachtungen, denn offenbar haben sich die Immunsysteme sämtlicher Lebewesen im Lauf der Evolution darauf eingestellt.
Die Auswirkungen sehr geringer Dosen um 0,02 Sv werden kontrovers diskutiert:
Einige Fachleute vermuten, dass die Schädlichkeit ionisierender Strahlen linear mit abnehmender Dosis sinkt. Da das Risiko, an Krebs zu sterben, bei 0,02 Sv nach dem linearen Modell lediglich um 1 ‰ erhöht ist, bräuchte man für einen statistischen sicheren Nachweis Millionen von Probanden. Ein derartiger Nachweis ist nicht möglich.
Deutlich weniger Wissenschaftler registrieren Hinweise, wonach eine geringere Strahlenbelastung auch einen größeren Schaden bewirken kann; etwa weil das Immunsystem mangels Aktivität „einschläft“ und die Anfälligkeit für Krankheiten steigt. Es ist umstritten, ob eine Reduktion der natürlichen Strahlenbelastung krankheitsfördernd sein kann (vgl. Hormesis).