Już od momentu odkrycia promieni X przez Rentgena (1895), promieniotwórczości przez Becquerela (1896) i swobodnego elektronu przez Thomsona (1897) badacze próbowali wykorzystać te zjawiska do celów medycznych. Pierwsze próby zastosowania mało przenikliwych promieni X do leczenia nowotworów skóry rozpoczęto jeszcze w dziewiętnastym stuleciu. Czynnikiem ograniczającym rozwój radioterapii nowotworów była początkowo jakość i dostępność źródeł promieniowania. Dopiero separacja radu z blendy uranowej, dokonana przez Marię Skłodowską-Curie i Pierre'a Curie na przełomie wieków, umożliwiła wytworzenie i zastosowanie do leczenia nowotworów silnych źródeł promieniowania o wysokiej przenikliwości, dając podstawy techniki radioterapii zwanej początkowo curieterapią, obecnie zaś brachyterapią.

  Rad próbowano wykorzystać (w latach dwudziestych ubiegłego wieku) także do celów diagnostycznych. Badania polegały na wstrzyknięciu dożylnie roztworu soli radowej, a następnie oznaczeniu aktywności promieniotwórczej gazowego radonu w próbkach powietrza wydychanego przez pacjenta. Podjęto też pierwsze próby zastosowania metody znacznikowej w badaniach kardiologicznych, wykorzystując w tym celu promieniotwórczy izotop bizmutu ²¹⁴Bi.

  Przełomowym wydarzeniem dla rozwoju medycyny nuklearnej było odkrycie sztucznej promieniotwórczości w 1934 roku. Możliwe stało się wtedy zastąpienie naturalnych izotopów promieniotwórczych - sztucznymi.

  Duży postęp w technice radioterapii przyniosły wynalazki dokonane na potrzeby wojenne w latach czterdziestych XX wieku, między innymi związane z wytwarzaniem broni jądrowej(produkcja izotopów w akceleratorach cząstek i reaktorach jądrowych). Możliwe stało się wyprodukowanie wysokoaktywnych źródeł gamma-promieniotwórczego kobaltu ⁶⁰Co i użycie ich w aparatach (tzw "bombach") kobaltowych.

  Do rozwoju medycyny nuklearnej przyczyniły się też postępy w dziedzinie aparatury pomiarowej (elektroniki jądrowej), a następnie techniki komputerowej. Pierwszy scyntygraf, umożliwiający śledzenie znacznika promieniotwórczego w organizmie pacjenta bez pobierania jakichkolwiek próbek, został skonstruowany przez B. Cassena w 1951 roku. W 1958 roku H.O. Anger zbudował z kolei pierwszą gamma-kamerę.