Jednak nie byłoby medycyny nuklearnej bez wcześniejszych odkryć w tej materii. Już pod koniec XIX wieku odkryte zostały promieniowanie rentgenowskie, które później próbowano wykorzystać do celów medycznych. W 1886 roku Henri Becquerel odkrył promieniowanie soli uranu, co było początkiem innego spojrzenia na właściwości znanych pierwiastków. Dalsze badania nad odkryciem Becquerela rozpoczęła Maria Skłodowska-Curie wraz z mężem Pierre'em Curie, którzy nazwali ten proces radioaktywnością.
Od tamtej pory nastąpiła fala odkryć. Wyodrębniono nieznane wcześniej pierwiastki (na przykład rad). Rozróżniono także promieniowanie alfa, promieniowanie beta, promieniowanie gamma.
Odkrycie w 1934 roku sztucznie produkowanych radionuklidów przez Frédérica Joliot-Curie i Irène Joliot-Curie było znaczącym krokiem w medycynie nuklearnej. W lutym 1934 roku, po odkryciu radioaktywności w folii aluminiowej, którą poddali promieniowaniu Polonu, opisali oni produkcję pierwszego sztucznego materiału radioaktywnego.