雖然心臟并不是放射損害的敏感器官，但放射治療的劑量大仍能引起心臟的一系列改變。一般認為損害與受照射的面積，照射的方案和照射的劑量直接相關：照射劑量一次達4～6Gy或累積劑量達40～60Gy即可出現心臟損害，其中損害以心包炎及心肌炎最多見。其發生率與放射治療的劑量也呈正相關，有關人員觀察到照射劑量越大，間隔時間越短，則心肌損害的發生率就越高，反之發生率就越低，兩者呈明顯的劑量依賴性。
放射線的直接損害是發病的最重要原因。射線能直接引起組織電離，引起局部產生無菌性炎癥反應，還能抑制心臟細胞生長，造成細胞溶解、破壞、凋亡、甚至壞死等。早期的炎癥浸潤是應激性心肌炎的表現，反復的射線損傷可使局部纖維溶解受抑，于是在細胞內沉積的大量纖維素不能減退或滲出，致使血管內皮受損，導致血管通透性改變，血管內微血栓形成及血管床減少。這是以后心臟遲發性功能減退及電活動紊亂的基礎。
此外放射線引起的生物效應可能會造成心臟的繼發性損害，如射線造成的組織及細胞的自身免疫改變，引發基因突變或基因表達異常，還有毛細血管和淋巴回流的障礙等。這些均可加重或啟動持續性心肌損害，加速心肌纖維化，加重心肌、心包的滲出和增厚性改變。不過，由于放射治療引起的心包滲出及心功能下降之間缺乏一致性，有人認為心包與心肌對射線的反應機制可能有所不同或側重。此外，實驗已經證實，放射線照射后的某些因素，如高脂飲食，高血壓等對促進形成放射性動脈粥樣硬化有協同作用，如果患者接受放射治療的同時不注意控制飲食和血壓，它們可通過加速血小板凝聚及纖維素沉積，從而大大加重血管內粥樣斑塊的增生及管腔狹窄。而正常飲食的動物和人尚未發現上述改變。