分子影像可特异灵敏地探查疾病过程中相关分子的异常，能够提高临床诊治疾病的水平，在临床上有良好的应用前景。但其在分子诊断中的应用刚刚起步，主要集中于肿瘤、心脏和神经系统三大领域。
目前临床诊断中应用最多的是对肿瘤的临床检查，占临床检查总数的85%左右。有资料证实，PET可以使早期肿瘤的诊断率提高30％～40％。除了早期诊断，分子影像技术还可对肿瘤进行分期、分型，提示肿瘤的恶性程度和预后。分子影像在心血管系统疾病诊断则主要是关于心肌存活性对于心脏功能判断、临床治疗方案选择及心功能预后分析。对神经系统疾病的诊断多采用放射性核素成像系统对神经系统进行受体显像，可同时观察受体的分布和密度，为临床提供定量的检测数据。