Die Diagnostik mit der PET basiert auf der Untersuchung von Stoffwechselfunktionen des Organismus, in der klinischen Anwendung meistens des Zuckerstoffwechsels, und unterscheidet sich dadurch grundsätzlich von anderen bildgebenden diagnostischen Verfahren wie z.B. Ultraschalluntersuchungen, CT oder Kernspintomographie. Aus diesem Grunde können oft Krankheitsprozesse mit dem PET sichtbar gemacht werden, die mit anderen Methoden noch gar nicht erkennbar sind. In der Regel werden diese Untersuchungen zur Diagnostik, Ausbreitungsdiagnostik oder Therapieverlaufskontrolle bei Tumorerkrankungen, Gefäßwandentzündungen und Entzündungen (z.B. bei unklarem Fieber) durchgeführt.

PET-Untersuchungen mit Fluor-18 markierter Fluordesoxyglukose (FDG) werden zur Suche bösartiger Neubildungen bei Tumorpatienten verwendet und können die Verstoffwechselung von Glukose, also Zucker, im Gewebe bildlich darstellen. Auch andere radioaktiv markierte Substanzen können zum Einsatz kommen, so z.B. Gallium-68 markierter Somatostatinrezeptoranalogon (Dotatoc) bei neuroendokrinen Tumoren, Fluor-18/Gallium-68 markierte PSMA-Liganden (Prostata-spezifisches Membranantigen) bei und Jod-124/-123 markiertes (Metajodbenzylguanidin) MIBG bei neuroektodermalen Tumoren wie: Phäochromozytom, Neuroblastom, Glomustumoren, Ganglioneurom, Paragangliome, Karzinoid, Merkelzell-Tumoren der Haut und medullären Schilddrüsenkarzinomen.