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核醫學操作項目採用的是事先經過放射性核素標記的藥物，即放射性藥物（放射性藥品）。在診斷檢查過程中，首先將放射性物質施用於病人，繼而則是對放射性物質所發出的電離輻射加以檢測。這些診斷試驗要涉及到採用一種γ相機或者說正電子發射計算機斷層掃描術來形成圖像。這種技術是由Hal O. Anger發明的，有時又稱為Anger γ相機。這種成像還可能稱為「放射性核素成像（放射性核素顯像）」或「核顯像（核素顯像，核素閃爍顯像）」。其他的診斷試驗則採用探針來獲得不同身體部分的測量結果，或者採用蓋革計數器對取自病人的樣品加以測量。
在治療方面，放射性核素的施用旨在治療疾病或者實現姑息性疼痛緩解。例如碘-131的施用常常用於治療甲狀腺機能亢進和甲狀腺癌。磷-32過去曾經用於治療真性紅細胞增多。這些治療手段依賴於大劑量輻射暴露對於細胞的殺傷，而相比之下，對於診斷方面來說，則是要將暴露保持在可合理實現的低水平（ALARA原則）之上，以便減少造成腫瘤的機會。
核醫學與大多數其他成像設備不同，因為相對於諸如X射線斷層成像（計算機斷層掃描）或MRI之類傳統的解剖學成像，此類試驗主要顯示的是所檢查系統的生理功能。在有些中心，可以利用軟件或組合式相機，將核醫學圖像疊加到其他來自X射線斷層成像或MRI之類設備的圖像，以便突出顯示放射性藥物濃聚之處所在的身體部分。這種工作常常被稱為圖像融合或配准。
在醫院里，通常由專門的科室來負責提供核醫學診斷試驗；而且，可能還包括用於製備放射性藥物的設施。在不同的醫院之間，這種科室的具體名稱可能各不相同；其中，最為常用的名稱就是核醫學科和放射性同位素科。
醫用同位素全球供應量的三分之二都是由加拿大安大略省喬克河市粉筆河實驗室的國家研究通用反應爐生產的。為了促進針對安全方面若干問題的修理工作，加拿大核安全委員會責令其於2007年11月18日關閉該反應堆。這些修理工作實際所花費的時間比預計的要長，因而，2007年12月出現了醫用同位素嚴重短缺的局面。加拿大政府通過了緊急法案，以便允許該反應堆於2007年12月16日重新啟動，繼續生產醫用同位素。[1]
國家研究通用反應爐用於採用U-235核裂變過程中所大量產生的中子來照射（輻照）各種原材料。在接受照射的原材料的原子核之中添加一個中子，就會改變這些原子核。例如，第二常用的放射性核素Tc-99m；Tc-99m排在最為常用的放射性核素F-18（它是利用加速器產生的質子轟擊O-18而產生的）之後。O-18大約占普通氧的0.20%；大多數氧為O-16，而O-18是從天然氧中提取出來的；參見FDG。
在核反應堆中，鈾的核裂變產物之一就是鉬-99（Mo-99）。將Mo-99從中提取出來之後，會將其送往北美洲各地的放射性藥房（俗稱「奶站」）。Mo-99在進行半衰期為2.7天的放射性β衰變之時，最初會轉變成為Tc-99m；接着，人們就會將Tc-99m從一種稱為「母牛（Moly cow，鉬牛）」的發生器（參見鉬／鍀發生器）當中提取出來（俗稱「擠奶」）。繼而，Tc-99m在病人體內進一步發生衰變，釋放出一個可被γ相機檢測到的γ光子。這樣，Mo-99就最終衰變成了基態的Tc-99。相對Tc-99m而言，Tc-99屬於非放射性物質。
核醫學診斷試驗所利用的機制就是，當存在某種疾病或病理狀態時，機體對於物質所採取的不同處理方式。引入到體內的放射性核素往往會以化學方式結合到某種在體內具有特有作用的複合物之上；這種帶有放射性核素標記的複合物常常稱為示蹤劑。當存在某種疾病的時候，示蹤劑在體內的分布或處理往往會有所不同。例如，配體（ligand）亞甲基二膦酸鹽（MDP）在骨骼之中會得到優先攝取。採取化學方式將鍀-99m連接到MDP之上，就可以藉助於羥磷灰石，將放射性轉運和結合到骨骼之中，從而用於成像。通常，任何生理功能的增強，如骨骼之中發生的骨折，都將意味着示蹤劑濃度的增加。這往往會造成「熱灶」現象；熱灶可以是放射性蓄積的灶性增高，或者是整個生理系統範圍內放射性蓄積的普遍增高。而另一些疾病過程則會造成對於示蹤劑的排斥，從而導致「冷灶」現象。為了對許多不同的器官、腺體以及生理過程進行成像或處理，目前已經開發出了許多的示蹤劑複合物。核醫學試驗的類型可以分為兩大組：體內（in-vivo）型和體外（in-vitro）型。
典型的核醫學檢查會涉及到採取靜脈注射的方式以液態或聚合物的形式將某種放射性核素注入體內，與食物混合攝入體內，以氣態或氣溶膠的形式吸入體內，或者在罕見的情況下，也可能會注射的是經過微小封裝的某種核素。一些採用放射性核素白細胞閃爍成像技術和紅細胞閃爍成像技術的檢查則需要對病人自身的血液細胞進行標記。大多數診斷用放射性核素都會發射γ射線，而治療用途的放射性核素則利用的是β粒子的細胞損傷特性。
核醫學領域所採用的經過改良的放射性核素或者來自於核反應堆或回旋加速器之中的核裂變或核聚變過程，或者利用的是專用發生器之中的自然衰變過程，如鉬／鍀發生器或鍶／銣發生器。核反應堆產生的是半衰期較長的放射性核素，而回旋加速器生產的則是半衰期較短的放射性核素。
最為常用的靜脈內注射用放射性核素有：
最為常用的氣態／氣溶膠形式的放射性核素有：
核醫學成像過程的最終結果是由一幅或多幅圖像組成的「數據集」。在多幅圖像構成的數據集之中，其圖像數組可以表示常常稱為「動態」數據集的時間序列（即電影）、心臟門控時間序列，或者γ相機相對於病人移動時所產生的空間序列。在單光子發射計算機斷層掃描過程中，旋轉的γ相機所採集的圖像，將被重建為某種從特定位置上橫貫病人身體的「切片」圖像。若干平行的切片所組成的集合將形成切片堆棧，也就是病人體內放射性核素分布情況的一種三維表現形式。
為了針對核醫學領域所現有的各種具體的成像技術，提供相應的定量分析軟件包，核醫學計算機可能需要數百萬行的源代碼。
利用諸如多室模型或Patlak圖之類的動力學模型，尚可對時間序列進一步加以分析。
接受核醫學操作的病人會接受一定的輻射劑量。依據當前現行的國際指導原則，假定的一點就是，任何輻射劑量，無論其多小，都存在着一定的風險。在核醫學檢查過程中，對病人所造成的輻射劑量都存在着非常小的，誘導癌症的風險。就這一方面而言，其類似於X射線檢查所帶來的風險；不過，這種輻射劑量來自於身體內部，而不是那些發射X射線的機器之類的外部來源。
源自核醫學檢查的輻射劑量表示為有效劑量，單位是希沃特，且通常採用毫希沃特。檢查所造成的有效劑量受下列因素影響：
對於不同的核醫學檢查，有效劑量會有所不同。用來測量腎小球濾過率（GFR）的3 MBq 鉻-51 EDTA可以造成6 μSv (0.006 mSv)的有效劑量，而採用150 MBq 鉈-201的非特異性的腫瘤成像操作所造成的有效劑量則可以達到37 mSv。採用600 MBq 鍀-99m-MDP的常規骨掃描所造成的有效劑量則為3 mSv（1）。
對於幾乎所有的核醫學操作來說，拉德和雷姆基本上都是等價的；不過，唯有α射線會造成較高的雷姆或希沃特值，因為其相對生物學效應（RBE）要強得多。如今，核醫學領域已很少採用α放射源，但在核反應堆和加速器所生產的放射性核素問世之前，此類放射源的應用還相當廣泛。人體輻射暴露方面所涉及的概念屬於衛生物理學領域的範疇。
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