辐射随机性效应指的是受到照射的细胞不是被杀死而是仍然存活但发生了变化，则所产生的效应将与确定性效应有很大的不同的随机性效应。特点是其发生概率随剂量的增加而增加，但其严重程度则与剂量的大小无关。如果受到照射的细胞不是被杀死而是仍然存活但发生了变化，则所产生的效应将与确定性效应有很大的不同。这种随机性效应有两种类型，一类是体细胞受到损伤而引起的。受到损伤的体细胞经过增殖所形成的克隆（clone），如果没有被身体的防御机制所消除，则在经过一段相当长的潜伏期以后，有可能发展成细胞增殖失控的恶性状态，通称为癌。辐射致癌是辐射引起的最主要的晚期效应。不同组织和器官对辐射致癌的敏感性是不同的。辐射敏感性还与年龄、性别等因素有关。另一类则是由于性腺受到照射而损伤其中的生殖细胞而引起的。生殖细胞具有将遗传信息传递给后代的功能。当损伤（突变和染色体畸变）发生后，就有可能作为错误的遗传信息被传递下去，而使受照射者的后代发生严重程度不等的各种类型遗传病，重的如早死和严重智力迟钝，轻的如皮肤斑点。