中枢神经系统放疗后可能出现各种毒副反应（Schultheiss等回顾分析）；可分为：急性反应，为治疗期间发生；早期迟发性反应，往往发生在放疗后的数月内；后期反应，发生数月或数年后。
颅脑放疗急性反应包括疲劳、恶心、头痛、食欲不振、脱发等。患者可能在放疗后数小时内出现恶心，在整个治疗过程中都可能会有头痛。恶心和头痛可能是由放射性水肿引起的，应用皮质类固醇可以改善症状。止吐药，如昂丹司琼、格拉司琼或丙氯拉嗪，可以很好地控制恶心症状。在接受脑脊髓放疗的患者，恶心和厌食可能是由于上消化道受到了来自脊髓照射野的射出量辐射引起的。头皮受到20-30Gy照射后，往往开始出现脱发；脱发通常不是永久性的，但毛发的再生可能需要数月，而且新生毛发常常比原来的要稀疏或呈现不同颜色。在高剂量照射区，尤其是直接的切线部位，脱发可能是永久性的。颅脑放疗的其他急性反应还包括耳道耳垢累积和浆液性中耳炎。
放疗最常见的早期迟发性反应是嗜睡综合征，其主要表现是过度嗜睡、恶心和烦躁；通常会持续到放疗后1-3个月。这种综合征通常是暂时性的，可能是弥漫性脱髓鞘导致；往往发生在全脑放疗后，也可以发生在局部放疗后。该综合征可以自行缓解，但皮质类固醇可以缩短其持续时间。颅脑放疗后早期迟发性反应可以表现为局灶性神经功能障碍，可能与病灶内肿瘤反应或病灶周边水肿或脱髓鞘有关。