18F-FDG有着与天然葡萄糖相似的化学结构和生物学特性，在己糖激酶作用下，18F-FDG被磷酸化为6一磷酸氟代脱氧葡萄糖（18F–FDG-6-P04），但由于18F-FDG-6-P04不是磷酸己糖变构酶的底物，所以不能继续进行以后的代谢反应；又由于18F-FDG-6-P04带负电荷，不能反向通过细胞膜离开细胞，以及肿瘤细胞内葡萄糖，6一磷酸酶（使18F -FDG-6-P04去磷酸化）活性极低，故最终以18F-FDG-6-P04的形式积聚在肿瘤细胞内。用PET或符合线路SPECT探测18F正电子湮灭辐射发射出的高能（511keV）γ射线，可获得18F -FDG体内分布的影像，该影像实质上反映了体内葡萄糖代谢的状态和水平。恶性肿瘤具有异常旺盛的糖酵解，因此肿瘤部位可见高度放射性浓聚。18F-FDG显像对肿瘤探测具有很高的灵敏度，能够从分子水平探测到解剖结构尚未发生明显变化但代谢已经增高的肿瘤灶，此为其最大优势所在。
此外，18F-FDG显像可以完成三维全身断层，一次检查即可包括头、颈、胸、腹、盆腔等区域，这对于肺癌分期和寻找转移瘤原发灶十分有利。受显像设备固有分辨率的限制，18F-FDG肿瘤显像的不足之处是解剖结构显示尚不能满足外科手术或放射治疗的要求，因此仍然需要结合CT、MR进行肿瘤精确定位和细致的形态学分析。此外，18F-FDG显像高摄取，表明病灶的葡萄糖磷酸化过程大大增强，凡是具有此特点的病灶都可以明显吸收18F-FDG，包括不同病理类型的恶性肿瘤（鳞癌、腺癌、转移瘤等）和某些良性病变（活动性结核、急性炎症、结节病活动期等），因此其特异度较高是相对而言的。