Ionenstrahlung besteht aus schnell bewegten Ionen, also Atomen oder Molekülen, die nicht ihre gewöhnliche Zahl an Elektronen besitzen und daher positiv oder negativ elektrisch geladen sind. Natürlich vorkommende Ionenstrahlungen sind die Kosmische Strahlung (die daneben noch andere Strahlenarten enthält) und die Alphastrahlung. Künstlich kann Ionenstrahlung durch Erzeugung von Ionen in einer Ionenquelle (z.B. durch elektrische Gasentladung) und nachfolgende elektrische Beschleunigung erzeugt werden.
Bei den natürlichen und den meisten künstlichen Ionenstrahlen handelt es sich um positive Ionen, also Atome mit verringerter Elektronenzahl, oft um vollständig ionisierte, also "nackte" Atomkerne. Negative Ionen zur Beschleunigung werden nur in besonderen Fällen verwendet, so im Tandembeschleuniger und im H-minus-Zyklotron (s. Zyklotron).
Ionenstrahlung wirkt ihrerseits auf Materie ionisierend, und zwar mit höherer Ionisationsdichte als Elektronen- oder Photonenstrahlung. Dies zeigt sich etwa in ihrem hohen RBW-Faktor. Nutzungen von Ionenstrahlung gibt es beispielsweise in der physikalischen Forschung zur Auslösung von Kernreaktionen, in der Strahlentherapie zu medizinischen Zwecken, in der Technik zum gezielten Verändern von Materialoberflächen.