放射性同位素的原子核不穩定，能夠自發地衰變，同時釋放出射線，可以被核儀器探測。在臨床上，能用于核醫學診斷的放射性同位素的種類很多，常用的有锝-99m、碳-11、氮-13、氧-15以及碘-131和碘-135等。
診斷中使用的放射性同位素半衰期要短。放射性同位素衰變的快慢，通常用“半衰期”來表示。半衰期是指一定數量放射性同位素的數目減少到其初始值一半時所需要的時間。如磷-32的半衰期是14.3天，也就是說，假使原來有100萬個32P原子，經過14.3天后，只剩下50萬個了。半衰期越長，說明衰變得越慢；半衰期越短，說明衰變得越快。核醫學診斷用的放射性同位素，其半衰期一定要短，注射入患者體內之后能夠迅速衰變為穩定核素，這樣才能將對患者及周圍環境造成的影響降到最低。如果我們選擇半衰期長的放射性同位素，做完檢查后較長一段時間內，放射性同位素在其體內繼續產生輻射，就會對患者及其周圍親友造成一定的影響。
放射性同位素在衰變時，可發射α射線、β射線或γ射線等不同種類和能量的射線，其中，γ射線的穿透能力較強，易于被探測器測量。而α射線、β射線的穿透能力較弱，很難被探測器檢測。核醫學診斷常用的放射性同位素多為直接或間接產生γ射線，以便于被探測和成像分析。
另外，診斷用放射性同位素還要有特定的組織親和性。當然，選用的放射性核素無論在輻射毒性還是化學毒性上都應該是無毒或低毒的。
