Diese „Strahlenbiologische Wirkungskette“ besteht aus einer Reihe von physikalischen, chemischen und biologischen Abläufen.

In jeder Zelle befindet sich ein Zellkern, der als „Kommandozentrale“ entscheidet, ob und wann sich eine Zelle teilt. Im Zellkern ist die Schlüsselsubstanz für die Vererbung, die sog. Desoxyribonukleinsäure (DNS) enthalten. Dieses Molekül ist schraubenförmig in Doppelsträngen angeordnet und enthält sämtliche Erbinformationen. Strahlung kann die "DNS-Schraube" in der Struktur derart verändern, dass Zellen durch die entstehenden Doppelstrangbrüche ihre Teilungsfähigkeit verlieren und auch absterben (programmierter Zelltod = Apoptose). Die Hauptwirkung von Strahlentherapie ist die Störung oder Hemmung der Zellteilung durch Schädigung der DNS.
Zellen verfügen aber auch über ein „Reparatursystem“ (spezielle Enzyme), das im Falle einer DNS-Schädigung „wie eine Schere“ diese defekten Stellen ausschneidet und ersetzt. Je ausgeprägter die Reparaturfunktionen eines Gewebes sind, um so geringer ist die Strahlenempfindlichkeit. Diese Fähigkeit zur Reparatur ist im gesunden Gewebe besser ausgeprägt als in Tumorzellen und wird durch biochemische Prozesse ermöglicht. Der Reparaturmechanismus benötigt jedoch eine bestimmte Zeit, daraus ergibt sich auch die Notwendigkeit der Aufteilung der gesamten Strahlendosis in mehrere Einzelsitzungen. Nach erfolgreicher Bestrahlungstherapie sterben Tumorzellen ab und werden auch von körpereigenen Zellen (u.a. sog. Fresszellen=Makrophagen) abgebaut und abgeräumt.