Im Bereich Medizinphysik gibt es viele langjährige Kooperationen mit der Charité, insbesondere der Radiologie, Kardiologie, Neurologie und Psychiatrie. Dabei betreibt die PTB gemeinsam dem Max-Delbrück-Centrum und der Charité den Ultrahochfeld-Magnetresonanztomographen (7 Tesla MRT), welcher unter anderem durch eine BMBF-Großgeräteinitiative finanziert wurde. Die PTB ist darüber hinaus Partner in der DFG-geförderten klinischen Forschergruppe „Magnetische Eisenoxid-Nanopartikel für die zelluläre und molekulare MR-Bildgebung“ sowie der DFG-Großgerätinitiative Magnetic Particle Imaging. In den Neurowissenschaften wurden zahlreiche gemeinsame Projekte im Bereich Magnetenzephalographie, MR-Bildgebung und -Spektroskopie und Nahinfrarot-Spektroskopie durchgeführt. Beispielsweise ist die PTB Partner der EU-finanzierten Langzeitstudie IMAGEN, bei der die psychische Gesundheit von mehr als 2000 europäischen Probanden u. a. mittels Bildgebung untersucht wird.