現已證明，受到放射線照射的人和動物的心臟均有不同程度的病理變化，受損部位包括心包、心外膜、心內膜、甚至含有心臟瓣膜，還有傳導系統及冠狀動脈。一般損害與放射治療的區域密切相關，以心包以及心肌的損害最為常見。
大體解剖
放射性心臟損傷者可見心包滲出和增厚，心內膜、外膜也有增厚，心室壁各層均有心肌纖維化的表現。所見的變化可呈彌漫性，也可呈局灶性分布，但以右側或右心室比較明顯，這可能與右心室距胸壁較近有關。病程后期部分人有左心室縮小，可伴有一個或多個瓣膜的增厚，其中以三尖瓣和主動脈瓣發生率高，很少見二尖瓣閉鎖和附壁血栓形成。冠狀動脈內約有40%的人可發現嚴重狹窄，發生原因主要是動脈粥樣斑塊形成，斑塊以纖維病變為主，且近端較遠端顯著。
顯微鏡觀察
鏡下可觀察到在放射性心臟損傷的急性期有短暫的粒細胞浸潤，以及血管周圍的水腫，以后可見心肌細胞水腫、透明樣變及脂肪變性，病灶為點樣或斑片狀的纖維化病灶和壞死灶，散在分布。間質和血管周圍出現纖維增生，血管中平滑肌細胞數量減少。
電鏡觀察
電鏡下可見心肌細胞排列紊亂，肌纖維斷裂、萎縮，細胞核變形，線粒體肌漿網及核結構破壞，細胞膜下有高密度顆粒沉積，膜的連續性有中斷等，但不是所有病例均有上述改變。
由于心包內的液體滲出主要因無菌性炎癥所致，所以多為淡黃色非特異性滲出液，偶有血性，量有多有少，一般為50～200ml，最多可達700ml以上。滲出液的細胞學檢查陰性居多，但有時蛋白含量可較高，因而與惡性腫瘤引起的滲出液不易鑒別。