L'imagerie des mouvements microscopiques des molécules d'eau, ou imagerie de diffusion, apporte des informations sur la physiopathologie des affections encéphaliques que ne peuvent fournir les séquences conventionnelles d'IRM. Cette technique est très sensible pour la détection de l'ischémie cérébrale d'origine artérielle et permet de distinguer l'ischémie cérébrale de pathologies d'origine non vasculaire chez des patients présentant un déficit neurologique focal d'apparition brutale. Son champ d'application dépasse largement celui de la pathologie vasculaire. Analysée au regard des autres séquences d'IRM, elle contribue, par exemple, à la distinction entre abcès cérébral et tumeur nécrotique. Technique quantitative, l'imagerie de diffusion est une source d'information supplémentaire pour la caractérisation des lésions tumorales, inflammatoires, dégénératives ou métaboliques. Enfin, les données de l'imagerie de diffusion ont également une valeur pronostique.