Primární radiobiologické procesy probíhají ve fyzikálně-chemickém stadiu vzniku radiobiologických účinků a zahrnují přímé a nepřímé účinky záření a také účinky radiotoxinů .
Přímé působení je přímý účinek záření na biologický objekt v důsledku ionizace a excitace jeho základních atomů a spočívá v absorpci energie, tvorbě metastabilních stavů, což vede ke vzniku stabilních ovlivněných nebo změněných biomolekul .
Nepřímé působení je prováděno produkty radiolýzy vody, která je součástí všech živých systémů .
Doba trvání primárních procesů 10 −18 — 10 −3 sec. Je možné použít rádiové modifikátory.