W latach trzydziestych i czterdziestych XX wieku nastąpiły pierwsze poważne zastosowania kliniczne radionuklidów. W 1937 roku na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley posłużono się promieniowaniem fosforu-32 do leczenia białaczki. W 1938 roku John Livingood wraz z Glenem Seaborgiem wynaleźli izotopy jodu 131I oraz kobaltu Co-60. Prowadzili też pierwsze pomiary wychwytu jodu przez tarczycę.
Otwarcie pierwszego reaktora produkującego radioizotopy tylko do celów medycznych w Oak Ridge National Laboratory w 1946 roku było kolejnym znacznym krokiem w rozwoju nauki. Medycyna nuklearna zyskała większą rozpoznawalność wśród naukowców 7 grudnia 1946 roku, gdy został opublikowany artykuł doktora Sama Seidlina w tygodniku Journal of the American Medical Association opisujący wyleczenie pacjenta z nowotworem tarczycy za pomocą radioaktywnego izotopu jodu 131I. Ten sam izotop był później wykorzystywany jako lek na nadczynność tarczycy.
Sam termin medycyny nuklearnej wprowadzony został w 1952 roku.