Esenţa metodei constă în marcarea unor substanţe biologic active (de ex. glucoză, aminoacizi, ligandoreceptori etc.) cu izotopi ce emit pozitroni (C11, F18, N13, O15), după care materialul marcat (radiofarmaconul) este introdus în organismul bolnavului, urmând stabilirea imaginii distribuţiei acestuia. Dezvoltarea tehnicii semnalării urmelor izotopice şi utilizarea ei clinică se leagă de numele omului de ştiinţă maghiar György Hevesy, premiat în 1943 cu Premiul Nobel.
Producerea izotopilor are loc în ciclotron (accelerator de particule nucleare). Caracteristica izotopilor PET este timpul de injumătăţire fizică foarte scurt (2-110 minute), astfel prin utilizarea lor, bolnavii sunt supuşi la o doză mult mai mică de iradiere. Teoretic, orice moleculă care participă la metabolismul organismului viu se poate marca cu izotop PET, iar cu ajutorul metodei se pot vizualiza aproape toate procesele biochimice, fiziologice, respectiv li se poate măsura activitatea.
Radiofarmaconul cel mai des utilizat, F18 fluor-dezoxi-glucoza (pe scurt FDG), se acumulează în celulele cu metabolism ridicat (creier, miocard, tumori maligne, granulocite şi limfocite activate), nu se metabolizează, şi se elimină prin rinichi în formă neschimbată (spre deosebire de glucoza normală). Este caracteristic ritmului de excreţie, astfel încât la 90 de minute de la injectarea FDG, circa 40% din activitate este deja îndepărtată prin urină.
Distribuţia în ţesuturi a substanţei marcate introduse în organism se poate detecta cu ajutorul camerei PET prin înregistrarea iradierii aferente emisiei de pozitroni.