相对生物效应高。重离子照射造成70%的DNA分子发生两处以上的双链断裂，而且关键位点更易受到损伤，难以被修复，导致肿瘤细胞的死亡。重离子杀灭肿瘤没有细胞周期的依懒性，重离子治疗不仅导致细胞周期更易阻滞于G2和M期，即使是那些对低LET射线抵抗的处于S期肿瘤细胞，对重离子也较为敏感。
其疗效几乎不受肿瘤氧供的影响，可有效杀灭乏氧的肿瘤细胞。重离子这些放射生物学特点突破了低LET射线的放射生物学瓶颈，显示出极大的发展潜力。
重离子辐射对细胞周期的影响：据国外专家的研究表明重离子照射后可使周期相关基因表达下调，使更多的细胞阻滞于G2+M期，受照射后细胞凋亡增加。P27是一种细胞周期负调控因子，主要功能是调节G1、S期，可抑制细胞周期蛋白依赖激酶；其表达减少导致S期细胞增多，肿瘤细胞过度增生。还有专家比较了宫颈癌接受重离子与光子照射后P27的变化，照射后第十五天时，重离子照射后P27表达水平显著低于光子线放疗，肿瘤再增值收到抑制。
重离子治疗可降低部分肿瘤的转移潜能：低剂量光子线照射有可能增加肿瘤转移的潜能。现有研究发现重离子线可降低脑胶质瘤细胞、结肠癌细胞、肺癌细胞的转移特性，而且抑制转移的特性与放疗的总剂量无关。肿瘤氧供的不影响肿瘤重离子治疗后的局部控制率：日本专家Nakano等在放疗前、放疗第5天测定了宫颈癌肿瘤氧分压，并探讨氧分压的水平对放疗的局部控制率的影响。结果发现无论是放疗前还是放疗中，氧分压水平都不影响重离子治疗的局部控制率。该研究是重离子克服乏氧的重要临床证据。
