射线在医学领域应用极广，这是基于人体组织经射线照射后会产生某些生理效应。射线可通过反应堆、加速器或放射性核素获得。在病因、病理研究方面，利用放射性示踪技术，使现代医学能从分子水平动态地研究体内各种物质的代谢，使医学研究中的难题不断被攻破。例如弄清了与心血管疾病密切相关的胆固醇生物合成过程。现在放射性示踪已成为现代医学不可缺少的强大武器。放射性在临床诊断上的应用已很普及，例如X光机和医用CT。1895年伦琴在研究稀薄气体放电时发现X射线。X射线发现后仅3个月就应用于临床医学研究， X射线透视是根据不同组织或脏器对X射线的衰减本领不同，强度均匀的X射线透过身体不同部位后的强度不同，透过人体的X射线投射到照相底片上，显像后就可以观察到各处明暗不同的像。X射线透视可以清楚地观察到骨折的程度、肺结核病灶、体内肿瘤的位置和大小、脏器形状以及断定体内异物的位置等。X射线透视机已成为医院的基本设备之。
1972年英国EMI公司的电子工程师洪斯菲尔得(G.H.Hounsfield)在美国物理学家柯马克(A.M.Comack)1963年发表的数据重建图像数学方法的基础上，发明了X－CT，使医学影像技术发生重大变革。现在X－CT在全世界得到广泛应用，成为举世公认的重大科技成就。柯马克和洪斯菲尔得两人也因此获得1979年诺贝尔医学生理奖。X－CT是利用X射线穿透人体某层面进行逐行扫描，探测器测量和记录透过人体后的射线强度值，将这些强度值转换为数码信号，送进计算机进行处理，经过排列重建。在显示器上就能显示出该层面的“切片”图。使用X－CT装置，医生可以在显示器上看到各种脏器、骨骼形状和位置的“切片”，病变的部位、形状和性质在图像上清晰可见，大大提高了诊断的精度。
X－CT的优越性在于它可以清晰地显示人体器官的各种断面，避免产生影像的重叠。X－CT具有相当高的密度分辨率和一定的空间分辨率，对脑瘤的确诊率可达95%。对腹部、胸部等处的肝、胰、肾等软组织器官是否病变有特殊功用，对于已有病变肿瘤的大小和范围显示也很清楚，在一定程度上X－CT还可以区分肿瘤的性质。目前，医用X－CT已成为临床医学诊断中最有效的手段之一。而正电子发射断层扫描(PET)是一种先进的核医学技术，它的分辨率高，用生理性核素示踪，是目前唯一的活体分子生物学显示技术，PET可以从生命本原——基因水平作出疾病的早期珍断。PET不仅可生产放射性核素，还可用于肿瘤学、神经病学和心病学的研究，它可为病变的早期诊断、疗效观察提供可靠的依据。
放射性在临床中主要用于癌肿治疗，针对对常规外科手术来说困难的疾病和部位(如脑瘤)而设计的粒子手术刀已得到了推广，其中常用的有X光刀和γ光刀。快中子、负π介子和重离子治癌也在进行，它们对某些抗拒γ射线的肿瘤有良好的效果，但是价格高昂，世界上已有许多实验室在临床使用。其次，粒子手术刀对许多功能性疾病如脑血管病、三叉神经病、麻痹、恶痛、癫痫等也有很好的疗效。另外，利用放射性可对医疗用品、器械进行辐射消毒，具有杀菌彻底、操作简单等优点。