Распределение радионуклидов в организме зависит от их тропности — способности накапливаться (депонироваться) в тех или иных органах и тканях. Кальций, стронций, барий, фтор накапливаются преимущественно в костях; марганец, плутоний, торий — в печени; селен, мышьяк, висмут — в почках; йод, бром — в щитовидной железе. В органах кроветворения и половых железах депонируются все или, по крайней мере, большинство радионуклидов. Органы — накопители радионуклидов (критические органы) —подвергаются более интенсивному облучению.
При прямом попадании ионизирующих частиц в биомолекулы нарушается молекулярное строение веществ клеток и тканей. Косвенное действие радиации состоит в ионизации и возбуждении атомов и молекул воды и органических веществ с образованием свободных радикалов. Накопление радиотоксинов в клетках приводит к нарушению кода генетической информации. Изменяются молекулы ДНК, поражаются хромосомы. Клеточное ядро подвергается набуханию, рексису, пикнозу, лизису; цитоплазма — вакуолизации. В первую очередь и в большей мере поражаются наиболее чувствительные элементы костного мозга, селезенки, лимфатических узлов, половых желез, эпителий слизистой оболочки желудочно-кишечного тракта, нервные клетки. Поэтому при лучевой болезни развиваются лимфопения, кратковременный нейтрофильный лейкоцитоз, переходящий в лейкопению, тромбоцитопения, олигохромемия, эритроцитопения. Структура и функции эритроцитов и лейкоцитов нарушаются. Возникают патологические изменения органов пищеварения, кровообращения, дыхания, нервной и мочеполовой систем. Появляется геморрагический синдром. Снижается естественная резистентность организма.