本病的輕重與照射的劑量有關，腎活檢可見其主要病理變化為：
1、急性放射性腎炎的腎臟病理變化有腎小球和小管變性、間質水腫和出血如急性腎炎型，腎臟大小正常，腎小球基底膜增厚、斷裂玻璃樣變血管內皮細胞變性、內膜腫脹大劑量照射后腎動脈及小動脈壁纖維素樣壞死，血栓形成；甚至有些病例可見新月體形成。也可呈間質性腎炎的病理變化免疫熒光檢查無免疫球蛋白、補體或纖維蛋白原沉積受累組織與正常組織易于區分。
2、慢性放射性腎炎 在慢性放射性腎炎腎臟可見嚴重血管硬化，腎小球縮小并有系膜硬化，小管萎縮，間質纖維化伴有輕度炎癥反應，包囊明顯纖維化，有時可見惡性高血壓的壞死性血管病變。由于動脈壁的廣泛壞死及血栓形成，引發腎小球硬化和腎小管變性壞死，最終導致腎萎縮如僅單側腎接受放射線照射，則可出現單側腎臟同樣的病損。