In lichaamscellen worden voortdurend bepaalde voedingsstoffen, bijvoorbeeld suikers en eiwitten, opgenomen en afgebroken. PET-onderzoek geeft informatie over deze stofwisseling op een bepaalde plek in het lichaam. Voor het onderzoek worden voedingsstoffen die radioactief gemerkt zijn, aan de patiënt toegediend. Met behulp van een PET-camera, die de straling van de radioactieve stoffen opvangt, en een computer wordt vervolgens gekeken hoe deze stoffen zich in het lichaam verdelen. Op deze manier zijn afwijkingen van de normale stofwisseling zichtbaar te maken: diverse ziekteprocessen in het lichaam, bijvoorbeeld in de hersenen, worden zo opgespoord.
De hersenen produceren bij verschillende activiteiten specifieke stoffen. Een PET-scan kan door deze stoffen te meten informatie leveren over hersenactiviteit. PET-onderzoek wordt onder andere toegepast voor het opsporen van hersengebieden die niet goed werken. Ook tumoren kunnen in beeld gebracht worden.
Om de radioactieve stof toe te dienen, die in de regel onschadelijk is en na het onderzoek het lichaam vanzelf via de urine verlaat, wordt bij de patiënt een infuus ingebracht. Net als bij CT- en MRI-onderzoek moet de patiënt zo stil mogelijk blijven liggen.