Stosuje się do wykluczenia, pogłębienia diagnostyki albo monitorowania: guzów mózgu lub opon mózgowych, diagnostyce podstawy czaszki i oczodołów, nerwiaka nerwu słuchowego, guzów przysadki, zapalenia mózgu lub opon mózgowo-rdzeniowych, encefalopatii, leukodystrofii, wewnątrzczaszkowych powikłań chorób laryngologicznych, chorób demielinizacyjnych, wrodzonych malformacji mózgu lub opon, zakrzepicy zatok żylnych, wykrywaniu wewnątrz-czaszkowych malformacji naczyniowych.
W uzupełnieniu do badania TK, MR wykonuje się do pogłębienia diagnostyki lub monitorowania: urazów głowy, padaczki, udarów i zmian pooperacyjnych. MR pozwala na bardzo wczesne diagnozowanie udarów niedokrwiennych mózgu, co ma decydujące znaczenie o podjęciu decyzji o sposobie leczenia. Na podstawie badania dyfuzyjnego można diagnozować wczesny udar niedokrwienny, różnicować guzy mózgu i oceniać ich stopień złośliwości, a także oceniać aktywność ognisk demielinizacyjnych. Badanie perfuzyjne dostarcza wiadomości o regionalnym przepływie krwi, co ma zastosowanie w diagnostyce wczesnego udaru, przed podjęciem decyzji dotyczącej leczenia trombolitycznego, pozwala zróżnicować zmiany ogniskowe mózgu (łagodne/złośliwe) pozwala odróżnić guza pierwotnego mózgu od przerzutu oraz pozwala określić optymalne miejsce biopsji guza. Badania perfuzyjne pozwalają także na ocenę wznowy nowotworowej po radioterapii. W spektroskopii MR ocenia się metabolizm tkanek, co pozwala m.in. na lepsze scharakteryzowanie zmiany ogniskowej mózgu.
Czynnościowy rezonans magnetyczny (fMRI) pozwala m.in. na tworzenie tzw. map ośrodków korowych, co ma duże znaczenie w planowaniu leczenia neurochirurgicznego. Badanie tensora dyfuzji pozwala na ocenę kierunku dyfuzji cząsteczek wody, co pozwala na zobrazowanie przebiegu głównych dróg nerwowych w planowaniu leczenia operacyjnego.
