جهت انجام بعضی فرآیندهای تصویربرداری، در حین و یا خارج از زمان جراحی و یا انجام بعضی تست­های بافت‌شناسی، نیاز به ترکیبی می‌­باشد که در تمام این مراحل مورد بررسی قرارگیرد. این ترکیب که در واقع همان داروی مورد آزمایش می­باشد، در آزمایشگاه شیمی به‌صورت کمّی و کیفی مورد تجزیه و تحلیل قرار می­گیرد. یک دارو یا ترکیب جهت بررسی در مراحل پیش­ بالینی و همچنین وارد شدن به مرحله ­ی بالینی نیازمند طراحی مناسب و در نظرگرفتن همه ­ی جوانب لازم خواهد بود، چه‌ بسا مولکول­هایی بتوانند به‌عنوان حامل پایدار ایزوتوپ­ها عمل کنند اما فعالیت بیولوژیکی مناسبی نداشته باشند و از چرخه­ ی رسیدن به محصول نهایی خارج شوند. طراحی ساختار مولکول­ها و ترکیبات مختلف، سنتز ترکیبات شیمیایی گوناگون، آنالیز­های دستگاهی اعم از طیف ­سنجی، سنجش غلظت و عناصر موجود در ترکیبات و تست­های کنترل کیفی محصول از جمله فعالیت­ هایی است که در آزمایشگاه شیمی انجام می‌­گیرد. همچنین هرگونه فرآیند بررسی ساختار مواد رادیواکتیو پس از واپاشی کردن آن‌ها به حد کافی، در این آزمایشگاه صورت می‌گیرد.