Los radioisótopos se utilizan para marcar moléculas en las células y los organismos y de este modo seguir el curso de casi todos los procesos celulares. Un experimento típico consiste en añadir a las células un precursor marcado con un radioisótopo. Las moléculas radiactivas se mezclarán con las moléculas preexistentes no marcadas y ambos tipos de moléculas serán tratados de forma idéntica por la célula, ya que sólo se diferencian en el peso de su núcleo atómico. Algunos de los radioisótopos más usados en Biología son 3H (tritio), 14C, 32P, 35S y 125I. Los cambios de la localización o de la forma química de las moléculas radiactivas se podrán seguir en función del tiempo transcurrido desde la incorporación del isótopo radioactivo al material, al tejido o al organismo.
Una de las aplicaciones más importantes de la radiactividad a la Biología celular consiste en la localización por autorradiografía de compuestos radiactivos en secciones de células enteras o de tejidos. En este procedimiento las células vivas son expuestas brevemente a un pulso de un compuesto radiactivo determinado y se incuban durante un período variable de tiempo, para permitir que el compuesto se incorpore, antes de fijarlas y tratarlas para microscopía óptica o electrónica. Cada preparación es recubierta posteriormente con una fina película de una emulsión fotográfica y se coloca en la oscuridad varios días, durante los cuales parte del radioisótopo se desintegra e impresiona la emulsión. Entonces la emulsión se revela y se determina la posición de la radiactividad en cada célula mediante la posición de los granos de plata generados. Así por ej., la incubación de células con un precursor radiactivo del ADN, timidina 3H, muestra que el ADN se sintetiza en el núcleo y permanece allí. En cambio, el marcaje de las células con uridina 3H, un precursor radiactivo del ARN, revela que el ARN se sintetiza inicialmente en el núcleo pero que luego se desplaza rápidamente hacia el citoplasma.
Las moléculas marcadas con radioisótopos también pueden ser detectadas por autorradiografía después de haber sido separadas de otras moléculas mediante electroforesis en gel; de esta manera se detecta habitualmente la posición tanto de las proteínas como de los ácidos nucleicos. Además, cuando se utilizan moléculas de ácidos nucleicos marcadas radiactivamente como sondas para buscar moléculas de ácidos nucleicos complementarias a ellas, se usa la autorradiografía para detectar la posición y la cantidad de estas moléculas que se hibridan con la sonda, tanto sobre un gel como sobre la sección de un tejido.