现已证明，受到放射线照射的人和动物的心脏均有不同程度的病理变化，受损部位包括心包、心外膜、心内膜、甚至含有心脏瓣膜，还有传导系统及冠状动脉。一般损害与放射治疗的区域密切相关，以心包以及心肌的损害最为常见。
(1)大体解剖：放射性心脏损害者可见心包渗出和增厚，心内膜、外膜也有增厚，心室壁各层均有心肌纤维化的表现。所见的变化可呈弥漫性，也可呈局灶性分布，但以右侧或右心室比较明显，这可能与右心室距胸壁较近有关。病程后期部分人有左心室缩小，可伴有一个或多个瓣膜的增厚，其中以三尖瓣和主动脉瓣发生率高，很少见二尖瓣闭锁和附壁血栓形成。冠状动脉内约有40%的人可发现严重狭窄，发生原因主要是动脉粥样斑块形成，斑块以纤维病变为主，且近端较远端显著。
(2)显微镜观察：镜下可观察到在放射性心脏损害的急性期有短暂的粒细胞浸润，以及血管周围的水肿，以后可见心肌细胞水肿、透明样变及脂肪变性，病灶为点样或斑片状的纤维化病灶和坏死灶，散在分布。间质和血管周围出现纤维增生，血管中平滑肌细胞数量减少。
(3)电镜观察：电镜下可见心肌细胞排列紊乱，肌纤维断裂、萎缩，细胞核变形，线粒体肌浆网及核结构破坏，细胞膜下有高密度颗粒沉积，膜的连续性有中断等，但不是所有病例均有上述改变。由于心包内的液体渗出主要因无菌性炎症所致，所以多为淡黄色非特异性渗出液，偶有血性，量有多有少，一般为50～200ml，最多可达700ml以上。渗出液的细胞学检查阴性居多，但有时蛋白含量可较高，因而与恶性肿瘤引起的渗出液不易鉴别。