Os efeitos biológicos da radiação podem ser classificados quanto ao mecanismo de ação: direto ou indireto.

• Mecanismo direto: ocorre quando a radiação age sobre uma biomolécula importante como o ADN (em inglês DNA), principal constituinte dos cromossomos do núcleo da célula. A radiação pode danificar a molécula de ADN e isso pode levar a aberrações cromossômicas.

• Mecanismo indireto: ocorre quando a radiação age na molécula da água, que compõe cerca de 70% das células. A molécula da água é quebrada (radiólise) e formam-se radicais livres como a hidroxila (OH) e produtos oxidantes como o peróxido de hidrogênio (água oxigenada). Estes produtos são muito reativos e atacam moléculas importantes para o funcionamento celular como o ADN.
É importante salientar que os organismos vivos possuem mecanismos de reparo do ADN, porém se o número de danos for muito alto ou se houver alguma falha no reparo, danos irreversíveis podem surgir.

Os efeitos biológicos podem ainda ser classificados quanto a sua natureza, em reações teciduais e efeitos estocásticos.

• Reações teciduais: (também conhecidos como efeitos não estocásticos ou determinísticos), ocorrem quando uma alta dose de radiação causa a morte celular de um número muito grande de células de um determinado tecido ou órgão a ponto do mesmo ficar com seu funcionamento prejudicado.

• Efeitos estocásticos: são alterações que surgem nas células normais, sendo os principais o efeito cancerígeno e o efeito hereditário. O primeiro ocorre em células somáticas, ou seja o câncer ocorre na pessoa que recebeu a radiação, e o último em células germinativas, portanto pode ter seu efeito passado para os descendentes de quem foi irradiado. Os efeitos estocásticos são probabilísticos, portando não aparecem em todas as pessoas irradiadas. Diferentemente das reações teciduais (descrito acima), os efeitos estocásticos podem ser causados por qualquer dose de radiação, alta ou baixa.