Un'altra applicazione di diffusione della risonanza magnetica è l'imaging pesato in diffusione (DWI). A seguito di un ictus ischemico, il DWI è altamente sensibile ai cambiamenti che si verificano nella lesione. Si ipotizza che l'aumento delle restrizioni (barriere) alla diffusione dell'acqua, a seguito dell'edema citotossico (gonfiore cellulare), sia responsabile dell'aumento del segnale su una scansione DWI. Il potenziamento del segnale DWI appare entro 5-10 minuti dall'inizio dei sintomi dell'ictus (rispetto alla tomografia computerizzata, che spesso è sensibile solamente dopo un tempo di 4-6 ore) e rimane fino a due settimane. Queste immagini, accoppiate con quelle relative allo studio della perfusione cerebrale, i ricercatori possono evidenziare le regioni di "perfusione/disallineamento di diffusione" che può indicare regioni in grado di salvarsi con la terapia di riperfusione.