Après son administration intraveineuse, le FDG est transporté à l’intérieur des cellules où il subira la première étape de la glycolyse. Cette première phosphorylation l’empêchera d’en ressortir, et celui-ci s’y accumulera. Cet analogue radioactif du glucose n’est pas uniquement incorporé par les cellules tumorales, il s’accumulera dans toutes les cellules de l’organisme.
Les cellules tumorales ayant un besoin énergétique bien supérieur aux cellules normales, le FDG s’y accumulera préférentiellement. La répartition du traceur dans l’organisme sera ensuite détectée grâce au rayonnement émis par le Fluor 18.
L’image ainsi obtenue est dite « fonctionnelle », et représentante la cartographie en trois dimensions du métabolisme glucidique de l’organisme.

A la différence de l’imagerie anatomique (TDM, IRM, Echographie), où la détection de la tumeur repose sur des critères morphologiques de taille et de forme, la dimension moléculaire de l’imagerie TEP permet la détection des tumeurs malignes sur les caractéristiques métaboliques.
La TEP permet donc de détecter les masses tumorales avant l’apparition des altérations macroscopiques des tissus nécessaires au diagnostic radiologique traditionnel.

Outre son aspect moléculaire, la TEP est un examen « corps entier » qui aborde désormais le cancer comme une pathologie générale. La recherche de la tumeur primaire est réalisée simultanément à la recherche de localisations secondaires lors d’un examen couvrant la totalité de l’organisme. Ce dernier aspect permet une évaluation précise, et de surcroît non invasive de l’extension de la maladie, et c’est sur la définition de ce « stade » que repose toute la prise en charge thérapeutique du patient.