La scansione PET viene anche utilizzata per la diagnosi di malattie cerebrali, in particolare perché tumori cerebrali, ictus e malattie che danneggiano i neuroni che causano demenza (come il morbo di Alzheimer) causano tutte grandi cambiamenti nel metabolismo cerebrale, che a sua volta provoca cambiamenti facilmente rilevabili nelle scansioni PET. La PET è probabilmente più utile nei casi di alcune demenze precoci (esempi classici sono la malattia di Alzheimer e la malattia di Pick) in cui il danno precoce è troppo diffuso e causa troppa poca differenza nel volume del cervello e nella struttura lorda per avere effetto sulle immagini TC e MRI.