Развивается при облучении в дозе от 20 до 50 Гр. Характерны тяжелые гемодинамические расстройства, обусловленные парезом и повышением проницаемости сосудов, проявления интоксикации продуктами распада тканей, радиотоксинами и токсинами кишечной микрофлоры. Наиболее важными процессами в патогенезе токсемической формы ОЛБ являются интоксикация продуктами распада тканей, радиотоксинами и токсинами кишечной микрофлоры и гемодинамические расстройства, связанные с парезом и повышением проницаемости сосудов.
Перечисленные процессы обусловливают нарушения мозгового кровообращения и отек мозга, признаки которого наблюдаются до смертельного исхода, наступающего в течение 4‑7 сут. В связи со значимостью расстройств циркуляции эту форму ОЛБ называют сосудистой.