如果受到照射的細胞不是被殺死而是仍然存活但發生了變化，則所產生的效應將與確定性效應有很大的不同。這種隨機性效應有兩種類型，一類是體細胞受到損傷而引起的。受到損傷的體細胞經過增殖所形成的克隆（clone），如果沒有被身體的防禦機制所消除，則在經過一段相當長的潛伏期以後，有可能發展成細胞增殖失控的惡性狀態，通稱為癌。輻射致癌是輻射引起的最主要的晚期效應。不同組織和器官對輻射致癌的敏感性是不同的。輻射敏感性還與年齡、性別等因素有關。另一類則是由於性腺受到照射而損傷其中的生殖細胞而引起的。生殖細胞具有將遺傳信息傳遞給後代的功能。當損傷（突變和染色體畸變）發生後，就有可能作為錯誤的遺傳信息被傳遞下去，而使受照射者的後代發生嚴重程度不等的各種類型遺傳病，重的如早死和嚴重智力遲鈍，輕的如皮膚斑點。
隨機性效應的特點是其發生機率隨劑量的增加而增加，但其嚴重程度則與劑量的大小無關。圖 說明了隨機性效應的這種特點。以癌為例，並不因劑量的小和大而使誘發的癌的嚴重程度有輕重之分，其嚴重程度只和癌的類型和部位有關。癌和遺傳效應的發生可能起源於受到損傷的單個細胞，其過程具有隨機的性質，隨機性效應的名稱即是由此而來的。隨機性效應可能沒有閾劑量，但迄今在科學上尚不能做出肯定的結論。為了輻射防護的目的，通常都假定不存在閾劑量，這就是說不論這種劑量如何之小，一定的劑量總是和一定的發生隨機性效應的危險相聯繫的。這樣，對隨機性效應就不可能做到完全防止其發生，而只能是減少劑量以限制其發生的機率。在輻射防護上還假定，在日常輻射防護所涉及到的劑量當量與劑量當量率的整個範圍內，劑量與隨機性效應發生率之間為線性關係。為了定量地表示隨機性效應的危險，採用機率係數的概念，它指單位劑量當量照射誘發隨機性效應的機率。隨機性效應機率係數由致死性癌、非致死性癌和嚴重遺傳效應三種效應的機率係數所構成，具體數值見下表 。
隨機性效應機率係數名義值
| 受照射的群體 | 隨機性效應機率係數名義值/（10 Sv） | |||
| 致死性癌 | 非致死性癌 | 嚴重遺傳效應 | 總計 | |
| 成年工作人員 | 4.0 | 0.8 | 0.8 | 5.6 |
| 整個人群 | 5.0 | 1.0 | 1.3 | 7.3 |
致死性癌的機率係數主要是根據對日本廣島、長崎1945年受核子彈襲擊後十多萬倖存者所作的系統、長期的流行病學調查結果得出的。調查表明，在倖存者中某些癌瘤的發病率確實高於對照組人群，由此可以估計出輻射致癌的機率。但這是瞬間受大劑量照射的結果，而人們更為關心的是輻射防護上所涉及到的很小劑量和劑量率照射條件下的致癌效應。後一條件下的致癌效應比前一條件下的要輕，因此根據廣島、長崎資料得出的結果需要除以適當的降低因子才能適用於小劑量、小劑量率的情況。目前ICRP根據放射生物學研究結果並參照廣島、長崎資料，建議這一降低因子取2。表12-3中的有關數據就是這樣得出的。
最近ICRP討論了遺傳因素對輻射致癌危險的影響，提出對具有強表達的抑癌基因突變的顯性遺傳的癌易感家族來說，輻射致癌的機率可能增加5~100倍，某些伴有DNA修復缺陷的疾患在照射後癌的危險也會增加。由於家族性癌症在人群的發生率僅為1%或更低，對人群的癌危險估算並不發生影響。
輻射的遺傳效應一直是人們十分關心的，但迄今尚無肯定的證據表明由於天然或人工輻射的照射，人的後代發生了遺傳損傷，即使對廣島、長崎倖存者的後代所作的大規模調查，也未發現遺傳損傷有統計學上顯著的增加。然而利用動、植物所作的大量實驗研究顯示，確實存在著輻射的遺傳效應。因此，從輻射防護的觀點，有必要假定在人類也存在著這種效應。表12-3中關於遺傳效應的數據主要就是根據對實驗動物（主要為小鼠）的研究結果推算出來的。
ICRP在考慮輻射對遺傳疾病的影響時，認為有必要考慮多因子疾病（如高血壓、冠心病、先天性畸形等）及其發病有關的突變因素和環境因素。運用突變份額的概念探討了輻射引起突變率增加時對發病率的影響，基本結論是低量輻射對誘發的突變對多因子疾病的發病率不會有明顯的影響。
不同類型和能量的輻射誘發隨機性效應的危險程度是不完全相同的。在輻射防護上，對幾種常見的輻射類型做了如下的劃分：γ和X射線及電子為同一等級，如假定為1，則中子為5~20，具體數值視其能量而定；α粒子則為20。在表 中，由於機率係數是以單位劑量當量的機率表示，輻射的類型和能量對誘發隨機性效應的影響實際上已做了考慮。
