A radiação em radioterapia mata principalmente as células tumorais de duas formas: 1. acção directa: após as células cancerosas serem expostas à radiação ionizante, danifica directamente o ADN de cadeia dupla das células cancerosas, o que eventualmente leva à morte celular e impede a sua replicação; 2. acção indirecta: a radiação actua sobre as moléculas de água no interior das células cancerosas e forma radicais livres de oxigénio; os radicais livres de oxigénio são mais prejudiciais para as células, e através da acção indirecta interacção de moléculas de água, formando a libertação de um grande número de radicais livres, que podem matar células cancerígenas. A radiação ionizante actua geralmente nas células cancerígenas através de uma combinação de efeitos directos e indirectos, levando em última análise à apoptose e necrose das células cancerígenas. Para além do efeito mortal da radiação nas células cancerígenas, haverá também danos correspondentes nos tecidos, órgãos e células normais que envolvem as células cancerígenas. Por conseguinte, durante a radioterapia, deve-se ter grande cuidado em proteger os tecidos normais e controlar a dose de radiação nos tecidos normais, para que os tecidos normais não sejam danificados pela ionização.