Das physikalische Prinzip der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) beruht auf der schichtweisen Messung der Aktivitätsverteilung von Positronen-emittierenden Nukliden im Patienten. Die beim radioaktiven Zerfall freigesetzten Positronen (Anti-Teilchen des Elektrons) werden nach kurzer Wegstrecke beim Zusammentreffen mit einem Elektron vernichtet. Die Massen der beiden Teilchen (Positron und Elektron) werden dabei nach E = m c² in 2 g-Quanten umgewandelt. Durch die gleichzeitige Detektion (Koinzidenz-Detektion) der beiden unter 180° ausgestrahlten g-Quanten werden die Projektionen der Radioaktivitätsverteilung in der betrachteten Schicht gemessen.
Die Berechnung der Aktivitätsverteilung aus den gemessenen Projektionen erfolgt nach verschiedenen Korrekturen (Schwächung, Streuung, Totzeit, zufällige Koinzidenzen) mittels spezieller Software, welche zu dieser Bildrekonstruktion entweder die gefilterte Rückprojektion (PROMIS) oder iterative Verfahren (OSEM, USC-MAP) einsetzt.
Je nach Fragestellung können verschiedene radioaktive Arzneimittel eingesetzt werden, welche mit entsprechenden Nukliden (z.B. 18F, 15O, 11C, 13N, 86Y) markiert wurden.