پزشکی هسته‌ای شاخه‌ای از تصویربرداری پزشکی، فیزیک پزشکی و پرتونگاری مولکولی است که از خواص هسته‌ایِ مواد (مثل رادیوایزوتوپ‌ها) برای تشخیص و درمان بیماری‌ها استفاده می‌کند. داروسازی هسته‌ای نیز به این شاخه از علوم پایهٔ پزشکی کمک می‌کند.
ویژگی پزشکی هسته‌ای در این است که توانایی ارائه‌دادن اطلاعات تصویری از فرایندها و عملکردهای متابولیکی بدن را دارد در صورتی‌که دیگر مدالیته‌های تصویربرداری‌های پزشکی همانند مقطع‌نگاری رایانه‌ای و ام‌آرآی عموماً اطلاعات ساختاری و آناتومیکال تولید می‌کنند.
پرکاربردترین رادیوایزوتوپ در پزشکی هسته‌ای تکنسیوم است؛ و از مدالیته‌های پر استفاده در پزشکی هسته‌ای می‌توان مقطع نگاری با نشر پوزیترون و مقطع نگاری رایانه‌ای تک فوتونی را نام برد. در حالت تلفیقی نیز سیستم‌های پت-سی تی و اپکت-سی تی بسیار پر مصرفند.
در تصویربرداری پزشکی هسته ای مقادیر کمی از مواد رادیواکتیو موسوم به رادیوتراکرها (ردیاب های رادیواکتیو) استفاده می شود. این مواد به طور معمول یا در جریان خون تزریق شده و یا استنشاق و بلعیده می شوند. ردیاب رادیواکتیو در ناحیه مورد بررسی حرکت می کند و انرژی خود را به صورت پرتوهای گاما پر انرژی ساطع می کند. این پرتوها توسط یک دوربین خاص و یک کامپیوتر تشخیص داده شده و به شکل تصاویر پزشکی ثبت می شوند. تصویربرداری پزشکی هسته ای اطلاعات منحصر به فردی را ارائه می دهد که غالباً نمی توان با استفاده از سایر روش های رایج تصویربرداری، آن ها را به دست آورد. این روش همچنین امکان شناسایی بیماری در مراحل اولیه را فراهم می کند. توصیه می شود که برای انجام این پروسه، در صورت احتمال بارداری و یا شیردهی به پزشک خود اطلاع دهید و در مورد بیماری هایی که اخیرا به آنها مبتلا بوده اید، شرایط پزشکی، آلرژی ها و داروهای مصرفی با پزشک صحبت کنید.