Помимо внешнего облучения, может возникнуть внутреннее заражение, вызванное попаданием внутрь организма радиоактивных веществ вместе с зараженным воздухом и пищей.
Одна часть радионуклидов, попадая в пищеварительный тракт вызывает расстройство функций органов пищеварения и снижению продуктивности животных. Другая часть изотопов, биологически наиболее активных, к которым в первую очередь относятся йод-131, стронций-90, цезий-137, обладает высокой радиотоксичностью и почти полностью всасывается в кишечник, распределяясь по органам и тканям организма. Так, наибольшее количество радиоактивного йода концентрируется в щитовидной железе. Поэтому щитовидная железа (ее масса составляет 0,006% всей массы тела крупного рогатого скота) облучается в 1—10 тыс. раз сильнее, чем другие органы. Это приводит к ее воспалению, некрозу, полному прекращению функции, что является причиной истощения и гибели организма.
Радиоизотопы стронция концентрируются в костной ткани, нарушая функцию кроветворения костного мозга. Цезий-137 равномерно распределяется в мышечной ткани и поэтому менее опасен, чем радиоизотопы йода и стронция. Для всех радионуклидов критическими органами будут кроветворная система и половые железы.
Попавшие в организм радиоактивные изотопы с течением времени выводятся из него. Период, в течение которого из организма выводится половина поступившего количества элемента, называется биологическим периодом полувыведения.