Một phân tử được gắn nhãn bằng đồng vị phát ra positron được tiêm vào máu và tích tụ trong các mô theo đặc tính sinh học của nó. Khi positron phát ra triệt tiêu với một electron, hai tia gamma được tạo ra; các máy dò xung quanh đầu ghi nhận các tia trùng khớp và tái tạo bản đồ ba chiều về sự phân bố của chất đánh dấu. Đó chính là chụp cắt lớp phát xạ positron, hay PET.

Tùy thuộc vào chất đánh dấu, PET có thể đo lường quá trình chuyển hóa glucose, lưu lượng máu, mức độ chiếm giữ thụ thể dopamine, sự lắng đọng amyloid, hoặc nhiều quá trình phân tử khác. Do đó, nó cung cấp thông tin chức năng và hóa học thần kinh mà hình ảnh cấu trúc không thể cung cấp. Độ phân giải không gian thường là vài milimét; độ phân giải thời gian bị giới hạn bởi động học của chất đánh dấu.

PET đóng vai trò trung tâm trong nghiên cứu các bệnh thoái hóa thần kinh, nghiện ngập và cơ chế hoạt động của thuốc hướng thần. Máy quét PET/MRI kết hợp hiện cho phép thu thập đồng thời dữ liệu phân tử và giải phẫu. Tuy nhiên, những hạn chế thực tế bao gồm nhu cầu về máy gia tốc hạt hoặc nguồn cung cấp đồng vị gần đó và việc sử dụng bức xạ ion hóa.

Một chất đánh dấu được lựa chọn kỹ lưỡng có thể giúp quan sát được một nhóm thụ thể cụ thể hoặc một loại protein gây bệnh trong não sống.