Стохастические эффекты — это такие эффекты, которые возникают в результате изменений в нормальных клетках, обусловленных некоторым актом ионизирующего излучения, причем предполагают, что вероятность этого события в клетках при малых дозах невелика. Вероятность такого изменения, возникающего в популяции клеток ткани, пропорциональна дозе при очень малых дозах, когда с помощью методов микродозиметрии можно установить, что в среднем происходит менее одного события, приходящегося на чувствительный объем клетке. Доза, при которой это положение сохраняется, зависит от размера чувствительного объема и от ЛПЭ излучения и может быть меньше, чем многие дозы, встречающиеся в практике радиационной безопасности. Например, доза 1 мГр гамма-излучения с энергией 1 МэВ и 1 мГр нейтронов с энергией 1 МэВ создают соответственно в среднем приблизительно 1 (или иногда более 2) и 10-2 треков, приходящихся на ядро клетки. Таким образом, в ткани, подвергшейся воздействию нейтронов, многие клетки останутся необлученными. При рассмотрении механизмов канцерогенеза более важно, чтобы вероятность передачи энергии в отдельном сегменте ДНК размером 2 нм (в молекуле ДНК находится приблизительно 2·109 таких сегментов) мала для обоих типов излучения, а именно составляет около или менее 10-9. Однако на единицу длины трека нейтронами будет передано больше энергии, чем гамма-излучением. Таким образом, если изменение в отдельном сегменте размером 2 нм может играть жизненно важную роль в последующем процессе канцерогенеза, то биологические изменения в результате передачи энергии данному сегменту, вызванной нейтронами, будут существенней. Это подтверждено в исследованиях с клетками и в экспериментах на животных. Увеличение дозы в пределах десятков миллигрей просто приводит к пропорциональному возрастанию числа клеток, на которые могут повлиять единичные акты взаимодействия. При более значительных дозах, когда вероятно, что произойдет более одного акта, приходящегося на чувствительный объект размерами приблизительно от 2 до 100 нм, могут возникнуть более сложные зависимости доза-эффект (такие, как линейно-квадратичная или квадратичная).
Хорошо выявлены два основных вида стохастических эффектов. Первый возникает в соматических клетках и может в результате вызвать появление рака у облученного лица; второй возникает в клетках зародышевой ткани половых желез и может привести к наследуемым нарушениям у потомства облученных.