In der biochemischen Phase wird aus der Veränderung auf atomarer Ebene nach Ionisation bzw. Radikalenbildung ein molekulares Ereignis, bei dem ein Biomolekül verändert bzw. geschädigt wird. Die biochemische Phase dauert zwischen Sekunden und Minuten.
Die biochemische Phase kann reversibel sein – bei der DNA bspw. durch Reparatursysteme.
In der biologischen Phase wirkt sich die molekulare Veränderung auf den Organismus (somatischer Schaden) oder dessen Nachfahren (genetischer Schaden) aus. Die Manifestation kann je nach Auswirkung Stunden bis Jahre dauern und ggf. in die nächste oder übernächste Generation hinein reichen.
Ionisierende Strahlung kann durch das Auslösen von Ionisationen direkt oder indirekt zur chemischen Veränderung biologischer Strukturen führen, wodurch Stoffwechselfunktionen und dadurch der gesamte Organismus in Mitleidenschaft gezogen werden können. Die klinische Manifestation eines biologischen Schadens erfolgt immer über eine ganze Prozesskaskade.