肿瘤是由许多肿瘤细胞所组成，每个细胞都有细胞核和细胞质。在放射治疗中，肿瘤死亡的定义为肿瘤细胞失去无限增生能力即为细胞死亡。

放射线与生物体相互作用时，分为直接作用和间接作用。直接作用是射线被生物物质所吸收时，直接和细胞关键的靶起作用，靶的原子被电离或激发从而启动一系列的事件导致生物改变。另一方面，射线在细胞内可能和另一个原子或分子相互作用产生自由基，它们可以扩散到达靶并造成损伤。

研究表明，细胞核内的DNA(脱氧核糖核酸)双链是对放射线最敏感，射线可直接作用于DNA双链，造成DNA的单链或双链断裂，或通过间接作用，自由基造成靶损伤。单链断裂尚可修复，而双链断裂即可造成细胞失去无限增生的能力而致细胞死亡。

肿瘤和正常组织是有差别的，在放射治疗疗程中，我们就利用肿瘤和正常组织的差异，从而达到杀灭肿瘤而不致正常组织严重损伤的目的。如通过分次治疗，使肿瘤细胞在对放射线敏感期时给予杀灭，使乏氧的肿瘤细胞再氧合从而对射线敏感，以及正常组织和肿瘤修复放射损伤能力的差异，来达到杀灭肿瘤，保护正常组织功能的目的。