放射性同位素或放射性同位素是一种通过原子自然衰变产生的化学元素。一般认为暴露在辐射下对人体有害，但放射性同位素在医学上有很高的价值，特别是在疾病的诊断和治疗方面。
核医学以各种方式使用放射性同位素。更常见的用途之一是作为示踪剂，其中的放射性同位素，如锝-99m，可口服或注射或吸入体内。然后，放射性同位素在体内循环，或者只被某些组织吸收。它的分布可以根据它释放的辐射来追踪。发射的辐射可以被各种成像技术捕获，例如单光子发射计算机断层扫描(SPECT)或正电子发射断层摄影术(PET)，取决于所使用的放射性同位素。通过这种成像，医生能够检查特定器官的血液流动，并评估器官功能或骨骼生长。放射性同位素的半衰期通常很短，在放射出的放射性物质对病人的身体造成伤害之前就会衰变。
放射性同位素的治疗应用通常是为了破坏靶细胞。这种方法形成的基础放射治疗通常用于治疗癌症以及其他涉及组织异常生长的情况，比如甲状腺机能亢进．在癌症放射治疗中，病人的肿瘤会受到电离辐射，通常以亚原子粒子束的形式，如质子、中子或α或β粒子，它们直接破坏目标组织的原子或分子结构。电离辐射导致双链断裂DNA分子，导致癌细胞死亡，从而阻止它们的复制。虽然放射治疗有令人不快的副作用，但它通常能有效减缓癌症进展，在某些情况下，甚至能促使恶性疾病消退。
自20世纪头几十年发现人工放射性同位素以来，放射性同位素在核医学和放射治疗领域的使用取得了重大进展。人工放射性同位素是由受中子轰击的稳定元素产生的。在这一发现之后，研究人员开始研究人工放射性同位素的潜在医疗应用，这项工作为核医学奠定了基础。今天，使用放射性同位素的诊断和治疗程序是常规的。