Metody medycyny nuklearnej wykorzystywane są między innymi w onkologii, w leczeniu niektórych typów nowotworów oraz w ramach zabiegów paliatywnych, mające na celu zmniejszenie dolegliwości bólowych, związanych z występowaniem rozsianego procesu nowotworowego (np. przerzuty do kości). Stosowane są również w celu lokalizacji zmian niewidocznych przy użyciu innych metod. Medycyna nuklearna stosowana jest również jako narzędzie w diagnostyce i leczeniu chorób, np. endokrynologicznych (głównie chorób tarczycy). Zastosowanie tej techniki umożliwia zróżnicowanie między „zimnymi” i „ciepłymi” guzami.
Metodą obrazowania stosowaną w medycynie nuklearnej jest scyntygrafia. Zaletą tej techniki jest, poza uwidacznianiem struktury, również dodatkowa możliwość badania funkcji czynnościowej danego organu. Dodatkowo ta gałąź medycyny zajmuje się diagnostyką in vitro, czyli oznaczaniem poziomu substancji we krwi metodami radioimmunologicznymi, przy pomocy znaczników izotopowych (np. w celu określenia poziomu niektórych hormonów).