Alle cellen in ons lichaam bevatten DNA deoxyribonucleic acid (deoxyribonucleic acid). DNA bestaat uit twee lange strengen die allebei zijn opgebouwd uit vier verschillende bouwstenen. Elke bouwsteen in een streng heeft, in de andere streng, een vaste buurman tegenover zich. De volgorde van de bouwstenen (‘de genetische code’) bepaalt hoe de cel zich gedraagt. Het DNA speelt een onmisbare rol bij het delen van cellen. Ioniserende straling kan schade veroorzaken in het DNA. Die schade kan klein zijn, of groot. Als bijvoorbeeld in één streng één bouwsteen door straling is weggeschoten, dan kan die schade gemakkelijk hersteld worden. De bouwsteen in de andere streng, die er nog wel is, bepaalt immers welke bouwsteen we missen. Is de schade groter, dan is herstel moeilijker.

Na DNA-schade kunnen er drie dingen gebeuren:

1. De DNA-schade wordt door de lichaamscel perfect gerepareerd. De situatie is weer als voorheen.
2. De DNA-schade wordt gerepareerd, maar niet helemaal goed. Er ontstaat een zogenaamde mutatie in het DNA: ergens in het nieuwe DNA is de genetische code anders dan vroeger. Als deze cel deelt, dan bevat de nieuwe cel dezelfde mutatie. Het foutje wordt dus doorgegeven.
3. De DNA-schade is zo groot dat die niet meer gerepareerd kan worden. Als gevolg daarvan kan de cel niet meer delen. Dat wordt ook wel celdood genoemd.

De gezondheidseffecten die op kunnen treden als gevolg van DNA-mutaties ('kans op kanker')  of celdood ('erytheem' of 'stralingsziekte') zijn wezenlijk verschillend. Bij DNA-mutaties hangt de kans dat een effect optreedt  af van de mate waarin iemand aan straling is blootgesteld. Bij celdood hangt de ernst van het effect af van de mate waarin iemand aan straling is blootgesteld.

Als je in normale omstandigheden aan achtergrondstraling wordt blootgesteld, dan kan er af en toe in één van je lichaamscellen een DNA deoxyribonucleic acid (deoxyribonucleic acid)-mutatie ontstaan. Die cel zal zich nog gewoon delen, maar de fout in de DNA-code wordt daarbij wel doorgegeven. Vele jaren later kan dit leiden tot het ontstaan van kanker. Blootstelling aan ioniserende straling betekent echter niet dat je gegarandeerd kanker krijgt. Sterker nog, de kans dat dat niet gebeurt is veel groter dan de kans dat het je wel overkomt. Wel is het zo dat, naarmate je meer straling ontvangt, de kans op het krijgen van kanker als gevolg van straling toeneemt. Dat is vergelijkbaar met een loterij: meer loten vergroten de kans op een prijs, maar dat wil niet zeggen dat iemand met veel loten gegarandeerd prijs heeft, en een ander met slechts één lot nooit.

Omdat toeval in dit proces zo'n grote rol speelt, spreken we hier van stochastische gezondheidseffecten. Deze effecten worden ook wel late effecten genoemd, omdat  stochastische effecten zich pas vele jaren na blootstelling openbaren.

Bij lage stralingsdoses wordt de hoeveelheid straling die je hebt ontvangen uitgedrukt in millisievert (mSv millisievert (millisievert)). Uit onderzoek kennen we het verband tussen de hoeveelheid straling die je hebt opgelopen en de extra kans op het optreden van kanker: bij een stralingsdosis van 200 millisievert bedraagt die extra kans ongeveer 1 procent. Als tienduizend mensen allemaal een stralingsdosis oplopen van 200 millisievert, dan zal die blootstelling na vele jaren bij ongeveer honderd personen kanker veroorzaken. Bedenk echter dat meer dan drieduizend mensen uit deze groep door andere oorzaken kanker krijgen. Het gaat in dit voorbeeld dus om 100 extra gevallen als gevolg van straling, op een totaal van ruim 3000. 

Voor stralingsbeschermingsdoeleinden gaat men er vanuit dat er een lineair verband bestaat tussen de stralingsdosis en de kans op het ontstaan van kanker. En dat er geen drempeldosis is waaronder die kans nul is. Dat betekent dus, dat als tienduizend mensen allemaal een stralingsdosis oplopen van 2 millisievert, dit op termijn van jaren statistisch gezien bij één persoon kanker veroorzaakt. Maar ook nu krijgen ongeveer drieduizend mensen uit deze groep kanker door andere oorzaken. Of er in deze groep bij deze dosis echt één persoon kanker krijgt door straling, kunnen we door onderzoek niet vaststellen: één extra geval op ongeveer 3000 is in de praktijk immers niet aantoonbaar.  Ter vergelijking: gemiddeld ontvangen leden van de bevolking in Nederland een stralingsdosis van bijna 3 millisievert per jaar. Voor stralingsniveaus waar we in het dagelijkse leven mee te maken hebben kunnen we extra gevallen van kanker door straling dus niet wetenschappelijk aantonen.

Samen met partners in binnen- en buitenland voert het RIVM al vele tientallen jaren wetenschappelijk onderzoek uit naar het verband tussen de stralingsdosis en het ontstaan van late gezondheidseffecten zoals kanker en hart- en vaatziekten.

Als de DNA deoxyribonucleic acid (deoxyribonucleic acid)-schade in een cel na bestraling zo groot is dat deze niet meer gerepareerd kan worden, dan leidt dat tot celdood: de cel kan niet meer delen. Zolang het een enkele cel betreft is celdood helemaal niet erg, we hebben immers lichaamscellen genoeg. Met andere woorden: als het aantal cellen dat door straling doodgaat beperkt blijft, zien we geen schadelijke gezondheidseffecten. Bij toenemende blootstelling neemt het aantal gedode cellen echter toe. Bij extreem hoge blootstellingen wordt dit problematisch: het aantal gedode cellen is nu zo groot dat er functieverlies optreedt van weefsels of organen. Men spreekt in dit geval van deterministische effecten: toeval speelt geen rol en bij toenemende dosis wordt het effect sterker.

Deterministische effecten zijn sterk afhankelijk van de hoogte van de dosis en het type weefsel dat is bestraald. De dosis voor deterministische effecten wordt uitgedrukt in gray (Gy Gray (Gray)). Tot een dosis van 1 Gy zien we geen negatieve gezondheidseffecten. Beneden 1 Gy ontstaat wel schade in sommige orgaan- of weefselcellen, maar die schade is zo klein dat er geen sprake is van functieverlies.

Een dosis ioniserende straling die zo hoog is dat deterministische effecten optreden komt in de praktijk nauwelijks voor. Tenzij dit bewust wordt toegepast. De behandeling van kanker is daarvan een voorbeeld. Het lichaam wordt dan plaatselijk met een hoge dosis bestraald. Op die manier worden tumorcellen gedood, maar men zorgt er tegelijkertijd voor dat andere weefsels tijdens de behandeling met straling zo goed mogelijk gespaard blijven.

Als het hele lichaam met een dosis hoger dan 1 Gy bestraald wordt, dan gaan er in korte tijd zeer veel cellen van organen en weefsels kapot. Dit leidt tot ernstige effecten ('stralingsziekte') en soms zelfs tot sterfte. Het eerste zichtbaar effect van stralingsziekte  is diarree en braken. Bij een nog hogere dosis krijgen we te maken met zeer ernstige aandoeningen, zoals het beenmergsyndroom en het darmsyndroom. Als er bij een totale-lichaamsdosis van 4 Gy geen medische zorg verleend wordt, dan leidt het beenmergsyndroom in 50% van de gevallen tot sterfte. Bij een nog hogere dosis (ca. 10 Gy) treedt ook het darmsyndroom op. Het darmsyndroom ontstaat sneller dan het beenmergsyndroom. Een slachtoffer kan herstellen van het darmsyndroom, maar later alsnog overlijden door het beenmergsyndroom, waarvan de effecten later optreden.

Situaties waarbij mensen onbedoeld een extreem hoge stralingdosis ontvangen zijn zeer zeldzaam, maar komen helaas voor. In de afgelopen 40 jaar zijn er wereldwijd ongeveer 200 mensen overleden als gevolg van stralingsziekte. Het gaat daarbij om ongelukken in de industrie of om fouten bij medisch handelen. Meest bekend is de kernramp bij Tsjernobyl: er zijn toen meerdere hulpverleners aan een stralingssyndroom overleden, nadat ze te dicht bij de ontplofte reactor waren ingezet. Bij Fukushima speelde dit niet. In het algemeen geldt dat de hoeveelheid radioactiviteit die na een ongeluk met een kerncentrale in het milieu kan komen te laag is om bij leden van de bevolking stralingsziekte te veroorzaken.

In Nederland is het Nationaal Vergiftigingen Informatie Centrum (NVIC Nationaal Vergiftigingen Informatie Centrum (UMC Utrecht) (Nationaal Vergiftigingen Informatie Centrum (UMC Utrecht))) gespecialiseerd in het behandelen van stralingsslachtoffers.