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방사선치료에서는 이온화방사선의 생물학적 효과를 이용한다. 초기의 연구자들은 많은 양의 방사선을 쪼이면 어느 정도 경과한 뒤에 피부가 빨갛게 되며 나중에 물집이 잡히고 궤양이 생기기도 한다는 것과, 또 비록 적은 양이라도 여러 번 반복하면 피부에 심한 손상을 초래할 수 있다는 것을 발견했다. 그러자 정상적인 조직에 손상을 일으키는 이러한 현상이 암과 같이 비정상적이고 나쁜 조직을 제거하는 데도 사용할 수 있겠는가 하는 논란이 일어났다.

방사선이 생물체에 미치는 영향에 대한 기본적인 연구는 오늘날까지 계속되고 있고, 방사선생물학자라는 새로운 분야의 과학자도 출현했다. X선이 처음으로 의학에 이용되기 시작한 때와 비슷한 시기에 라듐이 발견되어, 인체조직이 방사선에 대해 반응을 할 때 조절요인으로 시간이 중요하다는 것이 밝혀졌다. 이와 같이 초기에는 전적으로 경험에 의존해 방사선치료라는 의술이 시작되었으나, 점차 이온화방사선이 통증을 경감시키는 효과가 있다는 것을 알게 되었고, 이에 따라 치료 방법이 크게 발달되기 시작했다.

따라서 방사선치료는 관절염의 통증치료, 침샘종창, 대상포진, 아이들에게 생기는 아데노이드의 이상증식 등 여러 가지 양성질환 치료 등에 폭넓게 사용되었다. 그러나 방사선이 인체에 해로운 효과를 미칠 수 있다는 것에 대한 지식이 늘어가면서 엄밀한 통제하에 시행되는 특별한 상황을 제외하고는 이러한 치료의 대부분은 사라지게 되었다. 그동안 방사선치료는 주로 암의 치료에 이용되어왔고, 따라서 이 부분에서는 많은 발전이 있었다.

그러한 발전의 첫단계는 측정단위를 확립하는 것이었다. 초기에는 이온화방사선을 이용해 치료를 시행하는 의사들이 물리학자들과 밀접한 협력관계를 가지면서 연구를 했기 때문에 기초적인 연구의 대부분은 의사들과 같이 연구를 하는 방사선 물리학자들에 의해 이루어졌다.

1925년 스톡홀름에서 측정단위로 뢴트겐 단위가 제정되어 국제적으로 공인됨으로써 물리학자들이 여러 다른 연구소에서 방사선의 양을 비슷하게 조절할 수 있게 되었고, 방사선량을 측정하는 장치를 개발할 수 있게 되었다(→ 방사 선랑계).