放射線障害の内、癌と白血病は突然変異の一種であり、上記の確定的影響とは異なるメカニズムで発生する（詳しくは悪性腫瘍を参照）。このため、明確なしきい値はなく、線量に比例して突然変異の確率が上がると考えられている。こうした性質を持つ放射線障害を総称して確率的影響と呼ぶ。

1990年のICRP勧告60号によると、放射線に起因する発がんの確率は被曝線量に対する二次式の形で増えると評価されている。線量が低いときには二次項は一次項よりずっと小さくなるので、実用上は一次式で表される（すなわち線量と発がんの確率は比例している）。その比例係数は0.05、すなわち被曝1シーベルトごとにがん発生の確率が5%あるとしている。なお、線量の大小とがんの重篤度の間には関係が無い。

また、生殖細胞が突然変異を起こした場合は、遺伝的影響を起こす恐れがある。遺伝的影響にも重篤度はさまざまあるが、線量の大小と重篤度は関係が無く、発生確率が線量に比例している。

農作物を高い線量率の場に暴露する事により、突然変異を高い確率で発生させ、品種改良する試みがなされている。これも確率的影響を利用している。