放射生物学的实验证明肿瘤细胞的染色体DNA也就是遗传物质是放射线的主要作用靶点，核膜也可能包括在内。DNA中的某些部分在细胞周期的某些时候和膜结构紧密相关，因此两者很难截然分开。 放射线与靶点的作用可以分为直接作用和间接作用，直接作用是被照射组织吸收X线光子后产生继发电子，继发电子和DNA相互作用会产生效应。间接作用时，继发电子先和组织中的水分子相互作用产生氢氧自由基等活性基团，而这个氢氧基可以对DNA造成损伤。 高LET射线也就是中子线、α粒子线这一类的主要是直接作用，而X射线这种吸收型电离辐射是以间接作用为主。