Развивается после облучения в дозовом диапазоне 20—50 Гр. Для этой формы характерны тяжелые гемодинамические расстройства, связанные с парезом и повышением проницаемости сосудов, проявления интоксикации продуктами распада тканей, радиотоксинами и токсинами кишечной микрофлоры.
Токсемия обусловливает нарушения мозгового кровообращения и отек мозга, прогрессирующие признаки которого наблюдаются до смертельного исхода, наступающего в течение 4—7 сут. В связи со значимостью расстройств циркуляции в развитии токсемической формы ОЛБ ее называют еше сосудистой.