人体由器官和组织组成，器官组织又是由大量细胞组成的。细胞是人体结构的最基本单位。电离辐射能通过与细胞原子或分子的直接作用与间接作用影响细胞的正常功能，进而影响组织器官的正常功能。

直接作用是射线直接作用于具有生物活性的大分子（如:核酸、蛋白质等），使其发生电离、激发或化学键断裂，造成分子结构和性质的改变。间接作用是射线首先引起机体水分子的电离和激发，生成一系列性质活泼的产物，如:氢自由基（H·）、羟自由基（OH·）、激发水分子（HO2·）、过氧化氢（ H2O2）、水化电子（ ）等），此类产物具有很强的氧化能力，可导致生物活性大分子的损伤。这就是理解电离辐射造成细胞水平危害的基础。当电离辐射与细胞发生相互作用时，它以一定的概率刚好作用在细胞的关键部位。细胞最关键的部位是染色体，因为它包含了最重要的遗传信息。

下面几种情形是电离辐射照射下细胞可能发生的变化：

细胞没有受损

电离辐射可能形成化学活性的物质，它们在一些情形下会改变细胞的结构。但这些结构上的改变和自然条件下细胞可能发生的异变没有明显的差别，也没有负面的效应。

细胞受损，但能修复损伤，并表现正常

有些电离辐射产生的物质在细胞内部是不常出现的，它们可能会引起细胞结构和组件的破坏。但细胞能够修复这种少量的损伤，甚至是在染色体上的类似损伤。实际上，每时每刻都会发生大量的染色体异变，人体一直保留有修复这些异变的有效机制。

细胞受损，尚未完成修复，不再表现正常

如果在我们体内的有效修复机制完成修复工作之前，受损的细胞就需要“带伤上阵，勉强工作”，这样就会产生两种后果：一是细胞再也不能完成它的修复工作；另一种是细胞不能正确或完整地实现功能。这类细胞要么不能正常增殖，要么就是以一种不受控制的速度进行增殖。这样的细胞将是引起癌症的根源之一。

细胞受损死亡

如果电离辐射对细胞造成了严重的损伤或者恰好影响到了自我繁殖的功能，细胞最终将会死亡。

电离辐射对细胞的损害程度除了与辐射剂量有关外，还取决于细胞对辐射的敏感性。总体而言，复制增殖较快或者分化程度低的细胞对电离辐射更加敏感。这就是为什么儿童应比成年人更加重视辐射防护的原因。