1898年，居裏夫婦在研究放射現象的過程中，創製了測量放射性的專門儀器。通過測量各種物質的放射性，他們發現有些鈾礦物及釷礦物的放射性比純鈾或純釷強，認為在這些礦物中含有量很少、但放射性很強的物質。他們應用化學分析分離原理結合放射性測量的新工作方法，相繼發現釙和鐳，開創了一門新的學科——放射化學。
盧瑟福和索迪於1908年確定了每種物質的放射性按指數關係而衰變的規律。1910年索迪、法揚斯同時發現放射性元素位移規律，提出同位素的概念。1912年赫維西等用20種化學方法試圖從鉛中分離鐳D（即鉛210），未獲成功，繼而提出以鐳D指示鉛，成功地研究了鉛在多種化學反應中的行為，從而創立了放射性示蹤原子法，應用放射化學開始得到發展。
1934年，小居裏夫婦用釙的α粒子轟擊鋁，並利用化學原理及方法獲得放射性磷30，發明了人工放射性。這是人類第一次利用外加影響引起原子核的變化而產生放射性，成為20世紀最重要的發明之一。同年，齊拉特等發現原子核在俘獲中子生成放射性新核素時，由於反衝效應導致一係列化學變化，後來發展為熱原子化學。1938年，哈恩等在研究鈾受中子輻照後的產物時，用化學方法發現和證明了鈾核裂變現象。為人類開發利用核能開辟了道路，這是放射化學對核科學技術發展的巨大貢獻。1940年麥克米倫等發現超鈾元素鎿，西博格等發現鈈，1944年提出錒係元素理論。1942年費米核武器等建成第一座核反應堆，第一次實現受控鏈式裂變核反應，標誌著人類進入利用核能的新時代，核科學技術從此得到迅速發展。
隨著核武器、核電站、核艦艇以及其他核動力裝置的研製成功，使核燃料的生產和回收、裂變產物的分離等放射化學工作得到巨大發展，促進了放射性核素性質的深入研究及其在工農業、科學研究及醫藥衛生等領域中的廣泛應用，豐富了放射化學的內容，使它發展成為一門具有獨特研究目的和方法的學科。
中國於1924年開始對放射性展開研究，居裏夫人的中國學生鄭大章，從巴黎鐳研究所居裏實驗室為祖國第一次帶回了放射化學，在當時的國立北平研究院建立了中國的鐳學研究所。鄭大章等人研究鏷及鈾係放射化學，初步取得了一些成果。1937年由於日本軍國主義侵占華北，北平研究院被迫南遷，顛沛流離，放射化學的研究工作遂告中斷。1949年中華人民共和國成立，中國的放射化學取得了突出成就。從20世紀50年代中期開始，隨著核能事業的發展，放射化學作為一門基礎學科得到了相應的發展。幾十年來，特別是圍繞核燃料的生產和回收、放射性核素的製備和應用、錒係元素化學、核化學、放射性廢物的處理及其綜合利用、放射分析化學以及輻射化學等領域都取得了豐碩成果。1964年10月原子彈和1967年6月氫彈的試爆成功，反映了中國核科學技術達到了較高的水平。
卡麥隆在1910年提出放射化學。他指出放射化學的任務是研究放射性元素及其衰變產物的化學性質和屬性，這一定義反映了放射化學發展初期的研究對象和內容。人工放射性和原子核裂變的發現、反應堆和高能加速器的建立等，對放射化學的發展有深遠的影響，使放射化學的內容不斷充實和發展。近代放射化學主要研究天然放射性元素和人工放射性元素的化學性質和核性質，其提取及製備、純化的化學過程和工藝，重點是核燃料鈾、鈈、釷，超鈾元素及裂變元素；研究原子核的性質、結構、核反應和核衰變的規律，以及這些研究成果的應用；研究放射性物質的分離、分析以及核技術在分析化學中的應用；研究放射性核素及其標記化合物和輻射源的製備，及其在工業、農業、科學研究、醫學等領域中的應用。重點是用反應堆和加速器生產各種高比活度或無載體的放射性核素和輻射源。