Izotopy promieniotwórcze pierwiastków wykorzystuje się w diagnostyce medycznej jak i leczeniu. Jedną z metod wykorzystywania takich izotopów jest autoradiografia pozwala ona na określenie miejsca wiązania poszczególnych związków chemicznych w danej cząsteczce. Jest to możliwe dzięki dodaniu do preparatu cząsteczek znakowanych radioizotopowo. W autoradiografii wykorzystuje się przede wszystkim izotopy emitujące promieniowanie beta. Gdy zmodyfikowane cząsteczki wbudują się w dany preparat, zostaje on pokryty kliszą fotograficzną która w odpowiednich miejscach ulega zacieniu. Dzieje się tak za przyczyną promieniowania jonizującego emitowanego przez rozpadające się jądra izotopów. Dzięki odpowiednim kliszom możliwa jest obserwacja tego zjawiska pod mikroskopem, co umożliwia badanie położenia miejsc w strukturach komórkowych( m.in. śledzenia losu substancji znakowanych, wbudowywanych w związki chemiczne podlegające fizjologicznym transformacjom w komórkach i tkankach, co pozwala na badanie wewnątrzkomórkowych i tkankowych szlaków metabolicznych.)
Metodą podobną do autoradiografii jest metoda rozcieńczania izotopowego, tutaj także polega ona na dodaniu do preparatu ściśle określonej ilości i dokładnie znanej aktywności promieniotwórczej znakowanej radioizotopowo substancji. Tutaj natomiast izolowana zostaje substancja będąca produktem reakcji znacznika i preparatu. Dzięki określeniu promieniotwórczości tej substancji możliwe jest określenie jej ilości, oraz wydajności danej reakcji. Metoda ta stosowana jest w immunologii i badaniach metabolizmu ( pozwala ona na badanie konkurencji pomiędzy agonistami i antagonistami o wiązanie z antyciałem).
Kolejna metoda wykorzystującą to zjawisko to scyntygrafia. Źródłem promieniowania są podawane pacjentowi przed badaniem niewielkie ilości izotopów promieniotwórczych. Badanie to polega na wykrywaniu miejsc w których gromadzą się promieniotwórcze izotopy, jest to możliwe dzięki urządzeniu nazywanym gamma-kamera które to za pomocą odpowiednich liczników ułożonych w matrycę rejestruje promieniowanie gamma wysyłane przez podane wcześniej pacjentowi związki. Scyntygrafia umożliwia ocenę morfologiczną (położenie, wielkość, kształt, strukturę) i funkcjonalną ( przepływ, zdolność gromadzenia ) narządu. Jest to technika stosowana do badania takich narządów wewnętrznych człowieka jak tarczyca, nerki, śledziona, płuca itp.
Tomograficzne(warstwowe) obrazowanie wnętrza ciała człowieka jest możliwe dzięki budowie precyzyjnych liczników promieniowania gamma wykorzystujących zjawisko anihilacji . Metoda ta nazywa się tomografia emisji pozytonowej. Źródłem pozytonów w tej technice są sztucznie wytwarzane izotopy pierwiastków ulegające rozpadowi beta+. Izotopy te zostają wbudowane w związki powszechnie występujące np. glukoza i wprowadzane do organizmu . Na podstawie pobranych danych odnośnie odczytu promieniowania uzyskiwany jest dwuwymiarowy obraz komputerowy. Przedstawia on rozkład gęstości promieniowania gamma w badanej warstwie i tym samym rozkład gęstości substancji będącej nośnikiem danego izotopu lub produktem metabolizmu tej substancji. Dzięki tej technice można np. zlokalizować obszary o zwiększonym ukrwieniu mózgu czy też zapotrzebowania na tlen.
W radioterapii natomiast głównie stosowane są promieniowania gamma i beta, oraz rentgenowskie. Komórki nowotworowe są znacznie wrażliwsze na działanie promieniowania niż zdrowe komórki organizmu. Wartość energii promieniowania uzależniona jest od głębokości położenia zmutowanych komórek w organizmie. Źródłami promieniowania gamma i beta są promieniotwórcze izotopy takich pierwiastków jak kobaltu, cezu, irydu, złota, jodu, oraz itru. Natomiast promieniowanie x najczęściej uzyskiwane jest w akceleratorach poprzez przyspieszenie elektronów.