A diffúziós tenzoros képalkotás (diffusion tensor imaging, DTI) egyes biológiai szövetek anizotrop diffúziójának megjelenítésén és annak jellemzésén alapul. A diffúziósúlyozott képalkotástól mindössze annyiban tér el a vizsgálat, hogy a diffúziósúlyozó gradienseket a tér több irányában alkalmazzuk, így megtudhatjuk, hogy a tér egy adott részén, egy voxelben zajló diffúzió nagysága mekkora a tér egyes irányaiban, és „mennyire anizotrop”. Ennek a jellemzésnek az alapja a tenzormodell, amely lehetővé teszi a fő diffúziós irány meghatározását, valamint az arra merőleges két tengely mentén történő diffúziót is jellemzi. A DWI-hez hasonlóan kiszámolhatjuk az átlagos látszólagos diffúziós együtthatót (ADC), de a tenzor mint matematikai objektum elemeinek meghatározásával másodlagos értékeket is kaphatunk: ezek közül talán a frakcionális anizotrópia (FA) a legfontosabb. Az FA-képeken a voxelek értéke 0, ha a diffúzió teljesen izotrop (a tér minden irányába egyenlő, gömb alakú, például szabad folyadékok). Az érték 1, ha teljes mértékben anizotrop (csak egy irányba történik diffúzió, például egy teljesen zárt mikroszkopikus csőrendszerben). Fontos tudnunk, hogy a fehérállomány FA-értéke magas, 0,5 vagy a feletti, a szürkeállományé pedig ennél alacsonyabb (0,2–0,3). Létrehozhatók olyan képek is, amelyeken színkóddal vagy vektorokkal jelöljük a voxelben megfigyelt diffúzió fő irányát.