As radiações ionizantes (radiações com energia suficiente para extrair elétrons de átomos) podem agir de forma indireta ou direta sobre as moléculas de água. Os efeitos indiretos (que correspondem a 70% dos efeitos biológicos das radiações ionizantes no tecido vivo) resultam da formação de radicais livres, geralmente modificações das moléculas de água que constituem os meios extra e intracelular. Os efeitos diretos (que correspondem a 30% dos efeitos biológicos das radiações) são produzidos quando a energia da radiação é absorvida diretamente por moléculas, que são importantes para os diversos metabólitos das células, como as enzimas e o DNA. Os efeitos das radiações podem ser somáticos, quando se manifestam no próprio indivíduo, ou genéticos, quando se manifestam nos seus descendentes.

A radiólise da água, portanto, é a modificação estrutural da molécula de água causada pela radiação ionizante. Esta pode levar as moléculas de H₂O a um estado muito excitado ou então propiciar a formação de radicais do tipo H₃O⁺, OH^-, H₂O⁺ e H₂O^-, os quais, por serem instáveis, podem levar à formação de radicais livres do tipo H e OH, que se caracterizam por serem muito reativos e por não possuírem carga elétrica. Em virtude disso, esses radicais livres podem interferir com o metabolismo das proteínas, dos lipídios e dos carboidratos. Entre outras, algumas possibilidades reacionais intracelulares e extracelulares são:

O sinal positivo indica a formação de um íon positivo (um átomo que perdeu um elétron) e o sinal negativo indica um íon negativo (um átomo que capturou um elétron). Sendo formas altamente reativas, os radicais
livres derivados da radiólise da água interagem quimicamente entre si ou com moléculas próximas a eles.

Como consequência, novas moléculas do organismo vivo podem ser danificadas, passando a disputar elétrons com o meio. Portanto, há uma infinidade de reações que podem acontecer in vivo como decorrência de
exposição às radiações ionizantes, dentre as quais estão incluídos os próprios raios X para diagnóstico. A liberação dos prótons (íon positivo de hidrogênio) reduz o pH do meio alterando as cinéticas das reações bioquímicas, levando, consequentemente, à desnaturação das proteínas e à morte celular. Também, por meio das radiações ionizante, podem ser formados radicais hidroperóxidos (HO₂), H₂O₂ e radicais orgânicos, além de outros radicais prejudiciais à saúde que podem interagir com os sistemas biológicos de formas citotóxicas. A célula responde à radiólise da água de um modo que vai desde a completa recuperação das lesões moleculares até a morte celular.