पॉज़िट्रॉन उत्सर्जक आइसोटोप से चिह्नित एक अणु को रक्तप्रवाह में इंजेक्ट किया जाता है और यह अपने जैविक गुणों के अनुसार ऊतकों में जमा हो जाता है। जब उत्सर्जित पॉज़िट्रॉन एक इलेक्ट्रॉन के साथ विघटित होता है, तो दो गामा किरणें उत्पन्न होती हैं; सिर के चारों ओर लगे डिटेक्टर इन प्रतिबाधित किरणों को रिकॉर्ड करते हैं और ट्रेसर के वितरण का त्रि-आयामी मानचित्र बनाते हैं। इसे पॉज़िट्रॉन उत्सर्जन टोमोग्राफी, या पीईटी कहते हैं।

ट्रेसर के आधार पर, पीईटी ग्लूकोज चयापचय, रक्त प्रवाह, डोपामाइन-रिसेप्टर अधिभोग, एमिलॉयड जमाव या कई अन्य आणविक प्रक्रियाओं को माप सकता है। इसलिए यह कार्यात्मक और न्यूरोकेमिकल जानकारी प्रदान करता है जो संरचनात्मक इमेजिंग से प्राप्त नहीं की जा सकती। स्थानिक रिज़ॉल्यूशन आमतौर पर कुछ मिलीमीटर होता है; कालिक रिज़ॉल्यूशन ट्रेसर की गतिजता द्वारा सीमित होता है।

न्यूरोडीजेनरेटिव रोगों, व्यसन और मनो-सक्रिय दवाओं के तंत्र के अध्ययन में पीईटी का महत्वपूर्ण योगदान रहा है। संयुक्त पीईटी/एमआरआई स्कैनर अब आणविक और शारीरिक डेटा को एक साथ प्राप्त करने की अनुमति देते हैं। हालांकि, साइक्लोट्रॉन या निकटवर्ती आइसोटोप आपूर्ति की आवश्यकता और आयनीकरण विकिरण का उपयोग इसकी व्यावहारिक सीमाओं का हिस्सा हैं।

एक सुविचारित ट्रेसर जीवित मस्तिष्क में एक विशिष्ट रिसेप्टर आबादी या रोगजनक प्रोटीन को दृश्यमान बना सकता है।