Sau khi phát hành, "Radioactive" nhận được những phản ứng tích cực từ các nhà phê bình âm nhạc, trong đó họ đánh giá cao nội dung lời bài hát, chất giọng nội lực của Reynolds cũng như quá trình sản xuất nó, đồng thời gọi đây là một điểm nhấn nổi bật từ album. Ngoài ra, bài hát còn gặt hái nhiều giải thưởng và đề cử tại những lễ trao giải lớn, bao gồm hai đề cử giải Grammy cho Thu âm của năm và Trình diễn rock xuất sắc nhất tại lễ trao giải thường niên lần thứ 56, và chiến thắng một giải sau. Nhờ vào tần suất xuất hiện liên tục trong nhiều trailer và quảng cáo thương mại khác nhau, "Radioactive" đã trở thành một hit ngủ quên với việc đứng đầu bảng xếp hạng ở Thụy Điển và lọt vào top 10 ở nhiều quốc gia khác, bao gồm vươn đến top 5 ở những thị trường lớn như Áo, Canada, Đức, New Zealand, Na Uy và Thụy Sĩ. Tại Hoa Kỳ, nó đạt vị trí thứ ba trên bảng xếp hạng "Billboard" Hot 100, trở thành đĩa đơn đầu tiên của nhóm vươn đến top 5, đồng thời nắm giữ cương vị là đĩa đơn trị vì lâu nhất tại đây với 87 tuần. Tính đến nay, nó đã bán được hơn 15 triệu bản trên toàn cầu, trở thành một trong những đĩa đơn bán chạy nhất mọi thời đại.