A toxicidade do plutónio deriva dos efeitos biológicos da radiação emitida durante o decaimento radiológico dos isótopos do plutónio.

             Os isótopos 238Pu e 239Pu decaiem emitindo uma particula alfa altamente energética. Uma quantidade pequena de energia na forma de raios gama também é libertada durante o decaimento dos isótopos do plutónio. No entanto, a radiação gama resultante do decaimento do 238Pu e 239Pu é de tão pequena magnitude e energia que o mecanismo dominante de toxicidade está associado apenas à radiação alfa.

             O dano molecular resultará da direta ionização de átomos pela radiação alfa e por interações dos radicais livres resultantes  (ex: H•, OH•) com outras moléculas que se encontram na proximidade, como lípidos, ácidos nucleicos e proteínas. O dano tecidular resulta quando o dano molecular é extenso o suficiente e/ou a reparação do  dano já não é suficientemente rápida.