La RM de difusión detecta el movimiento aleatorio de las moléculas de agua siempre que puedan difundir libremente en la dirección del gradiente del campo magnético. Esta técnica está basada en la detección del paso de un bolus de contraste paramagnético (gadolinium), que induce gradientes magnéticos locales altos en la interfase entre el lecho capilar y el tejido circundante, debidas a diferencias en susceptibilidad magnética. Al atravesar el cerebro el medio de contraste, se produce una caída en la señal, caída que no se produce en áreas no perfundidas, que aparecen hiperintensas. De esta forma se estudian varios parámetros diferentes (tiempo de tránsito cerebral, tiempo para pico, volumen sanguíneo cerebral y otros).

La principal aplicación de de la RM de difusión es la detección muy precoz de la isquemia cerebral así como otras lesiones

La RM de difusión tiene una serie de ventajas como son su capacidad de discriminar entre infartos nuevos sintomáticos, y al combinarse con las secuencias T2, de discriminar entre ictus embólico y no embólico