电离辐射对组织器官的作用是很广泛的，可以影响到全身所有组织系统。但在一定剂量水平上，由于组织细胞的辐射敏感性不同，各器官的反应程度也不一致。
造血器官是辐射敏感组织，电离辐射主要是破坏或抑制造血细胞的增殖能力，所以损伤主要发生在有增殖能力的造血干细胞、祖细胞和幼稚血细胞。对成熟血细胞的直接杀伤效应并不十分明显。
（一）造血干细胞损伤
造血干细胞（hematopoieticstem cell），有很高的辐射敏感性。常以脾结节生成单位（colony formingunit-spleen，CFU-S）作为造血干细胞的代名词。
根据测得的CFU-S的D0值可估算出照射后体内残存造血干细胞的数量。小鼠全身约有1.5～2×106个造血干细胞，以D0值0.9Gy计，照射2Gy，体内残留的造血干细胞约为10-1，照射4Gy约为10-２，照射6Gy则为10-3。一般认为，小鼠体内残留10-3CFU-S时，要恢复到原先的造血水平约需2周。在此期间动物可能死于感染或其它并发症。故把6Gy作为小鼠死亡的临界值。当受到＞8Gy照射后，则需要输入外源性造血干细胞以重建造血。
（二）造血祖细胞损伤
了解人的造血细胞损伤只能测定造血干细胞的后代造血祖细胞（hematipoietic progenitor cell），造血祖细胞是造血干细胞分化为形态上可辨认的幼稚血细胞之前的中间阶段。照射后造血细胞随照射剂量增加而成指数下降。根据小鼠实验，CFU-S和CFU-GM的剂量存活曲线有很好的一致性。故可用骨髓细胞体外培养法来估价其它动物乃致人类造血干细胞的损伤程度。不同种系动物所测得的CFU-GM的D0值不同，人、犬和小鼠CFU-GM（粒单系集落形成单位）的D0值分别为1.27～1.37，0.59和1.9Gy。这与它们辐射致死的敏感程度是一致的。
（三）对造血调控的影响
正常情况下，血细胞生成有赖于造血微环境和体液因子的支持和调控。照射后造血微环境受到明显的损伤。
造血微环境（hemaopoieticmicroenvironment）由微血管系统、基质细胞和神经成分等构成。微血管系统对辐射比较敏感，照射后血管通透性增加，血流缓慢甚至完全中断，影响物质运输，产生活性代谢产物，加重造血损伤。血管系统的变化与造血细胞退变坏死几乎同步发生，且与照射剂量密切相关。
造血基质细胞是造血微环境的重要的构成成分，它包括纤维细胞、巨噬细胞、网状细胞、脂肪细胞和上皮样细胞。造血基质细胞通过释放体液因子和细胞间短距离调控参与血细胞生成，基质细胞的数量，类型和比例改变，都可影响造血过程。成纤维细胞被认为是基质细胞祖细胞（fibroblast colony forming unit，CFU-F），对辐射有较高的敏感性。小鼠CFU-F的D0值为1.4～2.5Gy γ线，小鼠全身照射6Gy以后，股骨内CFU-F立即减少且难以恢复。造血微环境的破坏显然可加重造血损伤，延缓恢复，既不利于内源性干细胞的生长增殖，也不利于外源性造血干细胞的植入和生长。
集落刺激因子（colonyforming stimulator，CFS）是调节血细胞增殖分化的一种体液因子。照射后血清CFS含量增加，可能是一种反馈调节。在有完善的造血干细胞和造血微环境下，CFS可促进造血的恢复。目前已将CFS试用于放射损伤的临床治疗。
胃肠道也是辐射敏感器官之一，尤以小肠最敏感，胃和结肠次之。辐射对胃肠道的影响是多方面的，最显着的是照后早期恶心呕吐、腹泻，和小肠粘膜上皮的损伤。辐射对胃肠道的运动、吸收、分泌功能也有影响，如胃排空延迟，胃酸分泌减少；早期小肠收缩和张力增高，分泌亢进，肠激酶活力增强，但吸收功能降低。后期运动、分泌功能都降低。
（一）早期恶心呕吐和腹泻
全身照射或腹部照射都可在照后早期出现恶心呕吐，照射1Gy左右即可发生，持续数小时之久。其出现的快慢、呕吐次数和持续时间长短，都与照射剂量有关。
在较大剂量（＞4～5Gy）照射后，早期还可出现腹泻，大于10Gy照射可发生多次或频繁腹泻。可能是继发于小肠运动功能紊乱，也可能是照射后体内释放的某些体液因子如乙酰胆碱、5-羟色胺、组织胺等作用的结果。
（二）小肠粘膜上皮损伤
小肠粘膜绒毛表面覆盖着完整的上皮细胞，是保持小肠正常分泌吸收和屏障功能的基础。绒毛表面的上皮细胞是一种持续更新的细胞系统，肠上皮干细胞位于隐窝底部，不断增殖分化向绒毛表面移动。小肠上皮干细胞的辐射敏感性很高，D0值约1.3Gy。照射后很快可见隐窝细胞分裂停止，细胞破坏、减少。其破坏程度与照射剂量有关。照射剂量小者，隐窝细胞数轻度减少，且很快修复，对绒毛表面细胞影响不大。照射剂量大时，隐窝破坏，隐窝数减少。更大剂量（＞10Gy）照射时，可使大部以至全部隐窝被破坏，绒毛被覆上皮剥脱，失去屏障功能。
就形态而言，神经细胞对辐射不敏感，需很大剂量才能引起间期死亡。但就机能改变而言，0.01Gy就可出现变化。在亚致死量或致死量照射后，高级神经活动出现时相性变化，先兴奋而后抑制，最后恢复。各时相时间长短与剂量有关，较小剂量时，兴奋相较长，或不出现抑制相。剂量较大时，则兴奋相短，较快转入抑制相。植物神经系统也有类似现象，照后初期丘脑下部生物电增强，兴奋性增高，神经分泌核的分泌亦增强。
内分泌腺除性腺外，形态上对辐射亦不甚敏感，在致死剂量照射后垂体、肾上腺、甲状腺等功能都出现时相性变化，初期功能增强，分泌增多，随后功能降低。损伤的极期肾上腺功能可再次升高。低剂量率慢性照射时，肾上腺皮质功能常降低，血浆皮质醇含量和尿中17-羟类固醇排出量减少。
性腺是辐射敏感器官，睾丸的敏感性高于卵巢。睾丸受0.15Gy照射即可见精子数量减少，照射2～5Gy可暂时不育，5～6Gy以上可永久不育。睾丸以精原干细胞最敏感，D0值为0.2Gy；其次为精母细胞，精细胞和成熟精子则有较高的耐受力。低剂量率慢性照射者，常出现性功能障碍。
卵巢是没有干细胞、不增殖的衰减细胞群，成年卵巢含有一定数量的不同发育阶段的卵泡。照射破坏部分卵泡可暂时不育，若全部卵～10Gy。卵泡被破坏的同时，可引起明显的内分泌失调，出现月经周期紊乱，暂时闭经或永久性停经。
心脏对辐射的敏感性较低，10Gy以下照射所见主要为造血损伤引起的出血和感染。10Gy以上照射可引起心肌的变化，包括心肌纤维肿胀，变性坏死甚至肌纤维断裂等。
血管方面以小血管较为敏感，尤其是毛细血管敏感性最高。照射后早期即有毛细血管扩张，短暂的血流加速后，即出现血流缓慢。临床可见皮肤充血、红斑。红斑出现快慢与照射剂量有关，10Gy照射后数小时即可出现，照射1Gy则数日后才出现。可见血管内皮肿胀，空泡形成，基底膜剥离，以后内皮增生突向血管腔，血管壁血浆蛋白浸润，继而胶原沉着，致使管腔狭窄甚至堵塞。小血管的这些病变是受损伤器官晚期萎缩，功能降低的原因。
由于小血管内皮细胞损伤，血管周围结缔组织中透明质酸解聚增强，加上照射后释放的组织胺，缓激肽以及细菌毒素等的作用，小血管的脆性和通透性增加。
（一）非特异性免疫的变化
1．皮肤粘膜的屏障功能减弱：照射后皮肤粘膜通透性增加，皮肤粘膜分泌酶和酸的抑菌、杀菌能力减弱。
2．细胞吞噬功能减弱：由于造血损伤，嗜中性粒细胞和单核细胞急剧减少，残存细胞的吞噬功能和消化异物的功能都降低。
3．非特异性体液因子杀菌活力降低：照射后血清和体液中溶菌酶、备解素和补体系统的含量减少，杀菌效价降低。照射剂量愈大，下降愈甚，恢复愈慢。
（二）特异性免疫的变化
无论是中枢免疫器官（骨髓、胸腺、类囊器官）或外周免疫器官（淋巴结、脾脏等）都是辐射敏感器官，所以照射后对体液免疫和细胞都有影响。但体液免疫较细胞免疫敏感性高。浆细胞具有很高的辐射抗性，有人认为即使受数十Gy照射，亦不影响其分泌抗体。
细胞免疫的辐射敏感性低于体液免疫。文献资料认为机体受到小于LD50/30的射线照射，则细胞免疫变化不大。大于LD50/30照射时，则细胞免疫和体液免疫都同时受抑制。
在免疫活性细胞中，B淋巴细胞的辐射敏感性高于T淋巴细胞。人外周血中B细胞的D0值约0.5Gy，T细胞约0.55Gy。
在免疫活性细胞中还有一类天然细胞毒性淋巴细胞（NK细胞），对射线不敏感。能杀伤肿瘤细胞的NK细胞γ线照射的D0值为7.5～8.5Gy。
（三）某些调节免疫功能的细胞因子的变化
小鼠全身照射后，脾脏生成白细胞介素2（IL-2）和干扰素（IFN）的功能受抑，抑制的程度都随照射剂量增加而加深，它们受抑的D0值分别为2.53和1.91Gy。