日光照射可能引发更为严重的后果，包括基底细胞癌、鳞状细胞癌及恶性黑色素瘤。
鳞状细胞是构成皮肤表层大部分的细胞；基底细胞则位于皮肤表层（表皮）的最底层。这两种皮肤细胞中的任何一种发生癌变，均被称为癌。虽然黑色素瘤是黑色素细胞的癌症，但基底细胞癌（BCC）和鳞状细胞癌（SCC）则是角质形成细胞的癌症——即负责分布黑色素细胞所释放黑色素的皮肤细胞。尽管BCC和SCC通常不会致命，但它们可扩散至身体其他部位，并导致严重的健康后果。
基底细胞癌和鳞状细胞癌几乎均发生于暴露于阳光下的皮肤，通常见于皮肤白皙者。这些病变通常直至成年期才出现，因其是紫外线辐射所致累积损伤的结果。若能早期发现并进行治疗，95%的体心立方及鳞状细胞癌病例可被治愈。
基底细胞癌（BCC）是美国最常见的皮肤癌类型，每年有80万人被确诊。传统上，该病多见于老年人，但其发病年龄正稳步下降。BCC肿瘤通常表现为小型肉质凸起，常出现于头部或颈部；然而，它也可能出现在身体其他部位（通常为日光暴露区域）。BCC常与银屑病、湿疹等其他皮肤病相似，因此，任何皮肤问题均应由皮肤科医生进行检查。BCC肿瘤生长缓慢，极少发生转移；但若未得到控制，它们可向下生长至骨骼，并造成严重损伤。
鳞状细胞癌（SCC）是美国第二常见的皮肤癌，每年影响超过20万人。与体心立方（BCC）相似，SCC通常由长期暴露于阳光下引起，且在发生SCC的区域通常伴有其他日光损伤；然而，SCC也可能发生在因烧伤、疤痕或化学物质而受损的皮肤区域。患有导致慢性皮肤炎症或抑制免疫系统的疾病者罹患SCC的风险会增高。SCC偶尔也可发生于未暴露于阳光的皮肤上；该病症的易发性可能具有遗传倾向。
鳞状细胞癌（SCC）肿瘤可表现为结节或红色、鳞屑状皮肤斑块，最常出现于耳缘及下唇。该肿瘤亦可呈现为疣状赘生物，偶见结痂并出血，或形成无法愈合的开放性溃疡。肿瘤可生长成覆盖身体较大区域的肿块。与体心立方细胞癌不同，鳞状细胞癌能够转移至身体其他部位。转移仅发生于少数病例中，但若鳞状细胞癌扩散至其他组织或器官，则可能致命。
黑色素瘤是最常见的致死性皮肤癌，也是年轻成年人中最常见的皮肤癌之一。黑色素瘤的发病年龄通常比基底细胞癌或鳞状细胞癌更早，这是因为其病因是间歇性、强烈的紫外线辐射所致，而非终身累积损伤所致。
黑色素瘤的发生是由于受紫外线辐射损伤的黑色素细胞开始不受控制地分裂所致。角质形成细胞（负责体心立方和鳞状细胞癌）在反复暴露于低剂量紫外线辐射时会受到最严重的损伤——例如，那些皮肤出现晒黑现象的人。而黑色素细胞则更容易受到偶尔暴露于紫外线的影响，例如导致晒伤的情况。这些差异解释了为何体心立方和鳞状细胞癌通常出现在长期暴露于阳光下的区域（如面部、前臂和手背），而黑色素瘤则多发生于较少暴露于阳光的部位（如男性背部和女性小腿）。黑色素瘤极少发生于面部、手部或前臂。
若青少年时期曾遭受过五次或更多次严重日晒（尤其是导致水疱的晒伤），患黑色素瘤的风险会翻倍；肤色较浅者（尤其是有雀斑者）罹患黑色素瘤的风险最高，而白人群体的患病风险还受纬度影响（越靠近赤道，患病风险越高）；黑人及亚裔人群则更易在非日光照射部位发生黑色素瘤——例如甲床和足底。
黑色素瘤的另一重要危险因素是存在发育异常痣（即异常或不寻常的痣）。并非所有发育异常痣都会恶变，且研究人员至今尚未阐明为何携带此类痣会增加罹患黑色素瘤的风险。黑色素瘤确实具有家族聚集性，因此，若两名或两名以上家庭成员罹患该疾病，则一级亲属（父母、兄弟姐妹及10岁以上的子女）应接受发育异常痣筛查或其他黑色素瘤相关征象的检查。