分子核医学（molecular nuclear medicine）是利用核医学技术研究生物体中分子水平的变化，从而了解其功能变化的新型学科。重点是分子标志物的鉴别及应用。如肿瘤细胞是具有某种细胞分子标志物的受体，因此用被放射性核素标记的这种分子标志物进行显像就可实现对肿瘤细胞的特异性诊断。

分子核医学是核医学和分子生物学技术的进一步发展和相互融合而形成的新的核医学分支学科。分子核医学是应用核医学的示踪技术从分子水平认识疾病，阐明病变组织受体密度与功能的变化、基因的异常表达、生化代谢变化及细胞信息传导等，为临床诊断、治疗和疾病的研究提供分子水平信息。

分子识别是这一新兴领域发展的重要理论基础。抗原与抗体的结合、配体与受体结合、多肽类药物与相应靶细胞的结合、反义探针与癌基因的结合以及酶与底物的结合都是以分子识别为基础。

当前分子核医学的主要研究内容有代谢显像、受体显像、放射免疫显像、反义与基因显像、凋亡显像等。

中枢神经系统的显像。神经元之间信息的传递是实现脑功能的物质基础，而信息传递的主要载体是特有的脑神经细胞受体，利用基于SPECT（单光子发射计算机断层仪）和PET（正电子发射断层仪）的分子核医学技术有可能了解中枢神经系统的受体的活动，这有助于揭示脑功能的实质、药物的作用机理，以及多种神经和精神疾病的患病机理及治疗效果。一个典型例子是应用11C标记的N–甲基螺环呱啶酮进行脑多巴胺受体显像。结果显示，基底神经节对这种11C标记的分子有较高的亲和力，而帕金森氏病患者的基底神经节多巴胺受体受损，揭示了多巴胺受体与帕金森氏病有关，从而开创了对人类一些脑功能疾病（如精神分裂症、迟发性运动障碍、老年痴呆症、亨廷顿氏病、帕金森氏病等）进行诊断和病理生理研究的可能性。另一个重要方面是脑代谢的研究，分子核医学的出现使人体脑代谢的研究成为现实。应用最广的是用18F标记的脱氧葡萄糖（18F–FDG）。正常情况下，18F–FDG在大脑两侧的分布均匀。然而在人脑代谢活动中（如学习、记忆、表达、听觉等），其分布会发生变化。因此在人脑高级神经活动研究中，分子核医学已成为不可或缺的研究方法。

心血管系统的显像。利用放射性核素 [如99Tcm（或99Tc*）、201Tl等] 标记的化合物可用于诊断冠心病，更可用于评价心肌梗死后残存部分究竟已坏死还是处于“冬眠”状态。

肿瘤组织的显像。利用11C、18F等标记的化合物可了解肿瘤的代谢情况，这对肿瘤的诊断及鉴别、肿瘤复发与辐射坏死的判别以及放疗和化疗的效果确认有重要的临床价值。