अंग या उपचार स्थल पर न्यूनतम आक्रमण के साथ जीवित शरीर में शरीर की संरचनाओं और कार्यों का पता लगाने के लिए परमाणु चिकित्सा में रेडियोआइसोटोप का बड़े पैमाने पर उपयोग किया जाता है। रेडियोआइसोटोप, जिसमें प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के अस्थिर संयोजन होते हैं। रेडियोआइसोटोप का उपयोग कुछ कैंसर और अन्य चिकित्सीय स्थितियों के इलाज के लिए रेडियोथेरेपी (विकिरण चिकित्सा) में भी किया जाता है, जिनमें हानिकारक कोशिकाओं के विनाश की आवश्यकता होती है।
रेडियोआइसोटोप हड्डियों, कोमल अंगों की उच्च गुणवत्ता वाली इमेजिंग की अनुमति देते हैं और परमाणु चिकित्सा में गामा किरण उत्सर्जक ट्रेसर का उपयोग करने वाली कई नैदानिक तकनीकों का उपयोग करते हैं। ट्रेसर रासायनिक यौगिकों के साथ अल्पकालिक रेडियोआइसोटोप के बंधन से बनते हैं जो विशिष्ट शरीर क्षेत्रों या शारीरिक प्रक्रियाओं को लक्षित करने की अनुमति देते हैं। चिकित्सा में सबसे अधिक उपयोग किया जाने वाला रेडियोआइसोटोप टेक्नेटियम-99एम है। रेडियोआइसोटोप का निर्माण कई तरीकों से किया जा सकता है; परमाणु रिएक्टर में न्यूट्रॉन सक्रियण सबसे आम है।