Am häufigsten wird die PET-CT bei onkologischen Fragestellungen angewendet. Hierbei nutzt man den Umstand, dass Tumorzellen, die sich schnell vermehren und häufig teilen können, einen erhöhten Stoffwechsel aufweisen. Mittels eines radioaktiv markierten Zuckers (18F-FDG) können diese Tumorzellen dargestellt werden. Jedoch nicht nur Tumorzellen können mit dieser Methode dargestellt werden. Auch der Hirnstoffwechsel oder Entzündungen im Körper weisen einen erhöhten Zuckerstoffwechsel auf.
Andererseits können nicht alle Tumorarten mit dem radioaktiv markiertem Zucker dargestellt werden. In diesen Fällen bedient man sich in der Nuklearmedizin anderer Zielstrukturen. Beim Prostatakrebs werden z.B. Zielstrukturen auf der Oberfläche der Tumorzellen angesteuert und dargestellt. Mittels PSMA (Prostata-spezifisches Membran-Antigen) können z.B. kleinste Metastasen im Körper dargestellt werden.
Nach einem ähnlichen Prinzip funktioniert auch die Bildgebung bei neuroendokrinen Tumoren. Diese Tumorzellen haben auf der Oberfläche viele spezifische Rezeptoren (sogenannte Somatostatin-Rezeptoren), die von den zielgerichteten radioaktiven Substanzen angesteuert werden können, um die Metastasen im Körper zu finden.