L'imagerie moléculaire par tomographie par émission de positons et tomodensitométrie (TEP-TDM) au fluorodésoxyglucose (¹⁸F-FDG) est devenue en 20 ans un outil de référence en oncologie clinique. Recommandée par les instances nationales et internationales pour le bilan d'extension initial et la recherche de récidive de tout cancer bronchique curable, la TEP-TDM au ¹⁸F-FDG peut également être proposée en complément de l'imagerie morphologique pour le suivi sous traitement des patients. D'autre part, parce que son intérêt dans la définition des volumes tumoraux cibles est démontré, la TEP-TDM au ¹⁸F-FDG est recommandée pour la planification thérapeutique en radiothérapie externe thoracique. Elle est également utile pour l'aide au diagnostic des processus néoplasiques thymiques et pleuraux. De nombreuses subtilités physiopathologiques et techniques doivent être néanmoins maîtrisées pour exploiter au mieux la grande sensibilité mais faible spécificité intrinsèque du ¹⁸F-FDG, et ainsi éviter de nombreux pièges diagnostiques, notamment histologiques ou post-thérapeutiques. Au-delà des pratiques cliniques standards, un intérêt majeur de l'imagerie moléculaire TEP est sa capacité évolutive à « imager », par radiomarquage vectorisé, tout type de processus physiologique ou physiopathologique d'intérêt. À l'ère de la médecine de précision et des thérapies personnalisées, cette grande adaptabilité aux enjeux oncologiques actuels lui confère une place de choix dans l'évaluation par l'image de phénomènes moléculaires complexes, tels que le microenvironnement cellulaire tumoral. Bien qu'émergentes, la diversification des radiotraceurs, l'ingénierie statistique et l'imagerie multimodale enrichissent nos capacités d'analyse en médecine de précision appliquée à l'oncologie thoracique.