Radiobiologia é a ciência que une a física à biologia, para o entendimento da ação das radiações ionizantes na sua gênese até ao efeito final, seja a destruição do tumor ou as lesões indesejáveis nos tecidos normais.

A sobrevivência de cada célula atingida vai depender da sua capacidade para reparar o dano motivado pela radiação, modulando os efeitos biológicos observáveis desde algumas horas ou dias após a exposição, até meses ou anos após conclusão da radioterapia.

A causa mais frequente de morte celular induzida pelas radiações é a devida à incapacidade de corrigir as lesões na cadeia de DNA e manifesta-se quando a célula tenta se dividir.

As radiações geram nos tecidos uma cascata de eventos, que se inicia no primeiro milésimo de segundo da interação. A ionização inicial (fase físico-química) é seguida de lesão imediata de macromoléculas vitais a nível celular, ou indiretamente pela cisão de moléculas de água, de que resultam radicais livres de oxigênio, altamente reativos a nível molecular (fase física). Após alguns minutos a lesão bioquímica sobre as moléculas de DNA e RNA é potencialmente letal.