Beim Sonnenbrand handelt es sich um eine Verbrennung I. Grades durch UV-Strahlung, hauptsächlich durch UV-B-Strahlung der Wellenlänge 280 – 320 nm (Nanometer).  UVB-Strahlen haben eine kürzere Wellenlänge als UVA-Strahlen, sie sind damit energiereicher und verursachen eine stärkere Schädigung. Moderne Solarien verzichten daher auf UVB-Strahlen, doch auch reine UVA-Bestrahlung kann bei genügender Intensität Erbgutschäden und letzten Endes Hautkrebs verursachen.

Medizinisch teilt man Verbrennungen durch UV-Strahlung je nach Stärke in drei Grade ein,  meistens handelt es sich um eine Verbrennung I. Grades. Hierbei stehen Rötung und Schwellung sowie Schmerzen im Vordergrund. Bei einem Sonnenbrand II. Grades kommt es bereits zu Blasenbildung in der obersten Hautschicht (Epidermis). Bei einer Verbrennung III. Grades durch UV-Strahlung kommt es zu einer starken Schädigung der Haut, die sich flächig ablöst und nur noch unter Narbenbildung abheilt. Dieser stärkste Sonnenbrand verursacht sehr starke Schmerzen und muss im Krankenhaus behandelt werden.

Dringen UV-Strahlen in die Haut ein, so verursachen sie dort eine Veränderung (Denaturierung) der hauteigenen Eiweiße (Proteine). Diese Veränderung bewirkt, dass die Proteine nicht mehr ihrer Funktion nachgehen können, die Haut ist geschädigt. Die Schädigung verursacht die Produktion von bestimmten Botenstoffen, sogenannten Zytokinen, die eine Entzündung vor Ort verursachen. Dadurch kommt es zu einer vermehrten Durchblutung des geschädigten Gebietes, gleichzeitig werden die Blutgefäße durchlässiger für Flüssigkeit und Immunzellen. Durch den verstärkten Flüssigkeitseinstrom in die geschädigten Zellen schwillt die Haut an, die verstärkte Durchblutung führt zur örtlichen Rötung.

Da nicht alle Schäden an den Proteinen repariert werden können, macht sich das bei dauernder oder wiederholter starker UV-Strahlung und dem dadurch hervorgerufenen Sonnenbrand durch vorzeitige Hautalterung bemerkbar. Vor allem UVA-Strahlen, die tiefer in die Haut eindringen verursachen diese Schäden des Binde- und Stützgewebes. Die hauteigenen Stützproteine, auch Kollagene genannt, werden in ihrer Struktur geschädigt, die Haut wird weniger elastisch, schlaff und bildet frühzeitig Falten.

Doch nicht nur hauteigene Eiweiße werden geschädigt, sondern auch das Erbmaterial der betroffenen Zellen, die DNS (Desoxyribonukleinsäure). Vor allem UVB-Strahlen führen zu Strangbrüchen der DNS, die nur schwer und häufig fehlerhaft repariert werden können. Bei wiederholter Schädigung der DNS kann sich das Verhalten der Zelle verändern, sie kann unkontrolliert wachsen und sich Teilen und somit zu einer Krebszelle werden.

Am empfindlichste reagiert die Augenlinse auf UV-Strahlen, sie ist auch am wenigsten in der Lage Schäden wieder zu reparieren. Die Folge hiervon ist eine Linsentrübung, der sogenannte Graue Star, der unbehandelt zur Erblindung des betroffenen Auges führt.