(一)急性期
在辐射期间或期后即可发生急性期的病理变化，上皮细胞变性脱落，隐窝细胞有丝分裂减少，肠粘膜变薄、绒毛缩短，毛细血管扩张，肠壁粘膜充血水肿及炎症细胞浸润。病变直肠可见杯状细胞肥大、腺体增生、变形，常有急性炎细胞，嗜酸性粒细胞和脱落的粘膜上皮细胞形成的隐窝脓肿。通常在数周内达到高峰而后消退。如果照射量大而持久，粘膜可发生局部或弥漫性溃疡，其分布与深浅不一，周围粘膜常呈结节状隆起，其四周的毛四血管扩张。粘膜病变易出血。
(二)亚急性期
起始于照射后2～12个月，粘膜有不同程度的再生和愈合，但粘膜下小动脉内皮细胞肿胀并与它们的基度膜分离，最后发生空泡变性脱落，形成闭塞性脉管炎。血管内膜下出现大量特殊的“泡沫巨噬细胞”，对血管放射性损伤有诊断意义。血管的闭塞导致肠壁进行性缺轿，粘膜下层纤维增生伴有大量纤维母细胞，并可见平滑肌的透明变性，胶原含量减少，虽然如此，局部血供尚能满足，但患者并发有高血压、糖尿病、冠心病、血管硬化等。若同时出现心力衰竭，则肠壁出现严重血供不足，可引起直肠壁溃疡、脓肿和直肠阴道瘘或直肠膀胱等形成。
(三)慢性期
慢性期病变实质上是潜伏的血管闭塞引起的延缓病损。肠壁的缺血程度不同，慢性病变延延较久。病期与病变显露时间长短不一，一般在放疗后1～5年出现，小肠病变可在放阁后6年半出现。直肠慢性病损有在放疗后10年出现。受损的肠段粘膜糜烂，可有顽固的钻孔或瘘管形成，以及并发肠梗阻，腹膜炎、腹腔脓肿等。小肠病变严重时粘膜绒毛萎缩，引起吸收不良。直肠的慢性病变队溃疡糜烂外，残存腺体杯状细胞大量增生，可引起粘液和血便。晚期可发生癌变，但不多见。