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通过追踪非天然核素来揭示天然元素及其[[化合物]]在生物体内或离体组织内的变化规律的方法。生物体内的物质从表面上看是一成不变的，实际上却存在着不断的吸收、[[消化]]、转化、排出等一系列[[新陈代谢]]变化。但外源物质和内源物质、新的物质和旧的物质混杂在体内，由于它们的物理化学性质皆相同，很难对它们进行区分和分别研究，因此新陈代谢的研究相当困难。放射性核素和稳定性核素与相应的天然元素的原子核内质子数相同，互为[[同位素]]，具有相同的[[化学]]特性，但原子核内中子数不同，[[物理]]特性可以有某些差异，用适当的方法能够加以识别和定量。如放射性核素发射核射线，可用核射线探测器加以探测；稳定性核素的质量可用质谱仪等方法精确测量。因此用非天然核素或其标记化合物作为外源物质或新的物质引入体内或新陈代谢某一环节中去，用适当方法对它在体内或组织内的运动径路和变化进行跟踪测量，便可获得它们（亦即相应天然元素或其化合物）的吸收、消化、运转、聚集和[[排泄]]等的重要信息。利用这种技术已经在[[分子]]水平上揭示出许多重要的[[生理]]、[[生物化学]]过程。如在[[蛋白质生物合成]]研究中，以H－研究中，以³H－[[胸腺嘧啶核苷]]标记[[噬菌体]]T2的[[DNA]]，以P标记T2，以³²P标记T2-特异性[[RNA]](mRNA)进行示踪研究，结果表明mRNA是由DNA复制而来，DNA的[[遗传信息]]（[[核苷酸]]排列顺序）被[[转录]]到mRNA上，由它带进[[细胞质]]浆控制[[蛋白质]]的合成。在临床医学中可利用[[甲状腺]]吸收I和分泌I 吸收¹³¹I和分泌¹³¹I -[[甲状腺素]]的速度和量来诊断[[甲状腺功能亢进]]或减退；用⁵¹[[Cr]]或Cr或⁵⁰Cr(稳定性核素) 标记的[[红细胞]]来测定红细胞在体内的寿命；用C标记的脂肪酸和糖类来测定来测定红细胞在体内的寿命；用¹³C标记的脂肪酸和糖类来测定[[脂肪]]和糖的吸收、氧化等的速率，可借此灵敏地诊断[[消化道]]和[[肝脏]]的功能异常。

生物示踪技术要求有良好的示踪剂，其物理性能、[[生物学性质]]都要达到特定的实验要求。应用于人体者还必须符合药学和卫生要求，需经严格的质量鉴定和批准手续方可使用。利用放射性核素进行动物生物化学示踪研究时，多选用放射β射线或能量很低的γ射线的核素，如H、C、I等，进行生理或人体示踪研究和诊断时，则多选用发射γ射线且物理半衰期较短者，如F、I、都要达到特定的实验要求。应用于人体者还必须符合药学和卫生要求，需经严格的质量鉴定和批准手续方可使用。利用放射性核素进行动物生物化学示踪研究时，多选用放射β射线或能量很低的γ射线的核素，如³H、¹⁴C、¹²⁵I等，进行生理或人体示踪研究和诊断时，则多选用发射γ射线且物理半衰期较短者，如¹⁸F、¹²³I、^99m[[TC]]等。有的示踪剂为简单的化合物，有的则非常复杂。

利用核射线的生物效应杀伤生长活跃的[[癌细胞]]和其他[[病理]]细胞，以达到治疗目的。放射性核素作为[[辐射源]]，可以置于体外对病变进行外照射，最常用的是Co，其作用方式和治疗方法与X射线、直线加速器和电子感应加速器产生的高能电子束和，可以置于体外对病变进行外照射，最常用的是⁶⁰Co，其作用方式和治疗方法与X射线、直线加速器和电子感应加速器产生的高能电子束和[[高能射线]]、回旋加速器产生的质子和中子等[[外照射治疗]]一样，属于[[放射治疗]]学。放射性核素也可引入体内对病变进行内照射，因其作用方式、治疗方法和技术管理等都与外照射不同，故不属于放射治疗学，而属核医学范畴。内照射治疗主要利用放射性核素的β射线，由于它的射程短，可以对病变进行近距离有效照射，而对病变以外的正常组织损伤较小。现在常用的方法有两种:①特异性内照射:将一种能够特异性浓聚在病变部位的[[放射性药物]]引入人体，可着重对病变进行照射，这是比较理想的治疗方法。如用[[Na]]¹³¹I治疗甲状腺功能亢进和[[甲状腺癌]]转移灶，用NaHPO治疗转移灶，用Na₂H³²PO₄治疗[[真性红细胞增多症]]，用 ¹³¹I标记的间位碘代苄胍(¹³¹I-MIBG)治疗[[恶性嗜铬细胞瘤]]转移灶，用某些亲骨放射性药物治疗[[骨转移]]疼痛等。将某些[[肿瘤]]的[[特异性抗体]]标记上适宜的放射性核素，引入人体后将与肿瘤相关抗原相结合，致使病变部位放射性浓聚，这种方法不仅可以用作诊断肿瘤，并且可以治疗肿瘤，称[[放射免疫治疗]](RIT)，现正得到广泛的研究，是一种很有希望的肿瘤治疗方法。②腔内照射：将放射性[[胶体]]引入有病变的体腔内，因放射性胶体可以较长时间存留在体腔内，故可对腔内或腔壁的病灶进行有效照射治疗，常用于治疗或抑制癌细胞播散引起的[[胸水]]和[[腹水]]、[[卵巢癌]]术后的预防性腹腔内照射，有时也用于[[膀胱]]腔、[[滑膜囊]]腔、[[心包腔]]和颅咽管腔等腔[[内治]]疗。经[[动脉导管]]将放射性微球等灌注到病变的微小[[血管]]中造成栓塞，不仅可以阻断肿瘤的供血，而且可以发挥局部照射作用，提高疗效。