Fakt, iż wiele pierwiastków posiada promieniotwórcze izotopy, tzn. izotopy o zmierzonym czasie półrozpadu, znalazł wiele zastosowań nie tylko w badaniach naukowych, ale i w przemyśle, technice, medycynie a nawet w geologii.

Izotopy promieniotwórcze (radioizotopy) nadają się idealnie do śledzenia wielu procesów, w których biorą udział trwałe izotopy. Ze względu na jednakową strukturę elektronową, izotopy danego pierwiastka mają takie same właściwości chemiczne, a więc tworzą takie same związki. Jednak, w przeciwieństwie do izotopów trwałych, radioizotopy łatwo jest wykryć gdyż emitują promieniowanie. Przykładem jest radiofosfor o okresie półtrwania około 14 dni. Zastąpienie zwykłego fosforu, na przykład w karmie dla zwierząt, radiofosforem, umożliwia śledzenie za pomocą licznika Geigera - Mullera wędrówki pokarmu w układzie pokarmowym zwierzęcia. Dzięki temu można poznać działanie fosforu w organizmie.

Innym przykładem jest śledzenie wędrówki wody pod ziemią za pomocą promieniotwórczego izotopu wodoru, trytu 3H. Do zwykłej wody wprowadza się pewną ilość "wody trytowej" T2O, a następnie bada w dostępnych miejscach wodę w celu sprawdzenia, czy promieniotwórcze izotopy płyną tą drogą. Badania takie mają duże znaczenie w górnictwie.

Przykładem technologicznego zastosowania radioizotopii jest badanie ścieralności opon za pomocą promieniotwórczego izotopu siarki 16S, emitującego promieniowanie b o energii 170 keV. Dodaje się go do gumy, z której wytwarzana jest opona, a następnie bada się ślady zostawione przez oponę na asfalcie podczas skręcania lub hamowania w celu zbadania, jaka ilość opony uległa starciu. Umożliwia to produkcję coraz lepszego ogumienia.

Izotopy promieniotwórcze wykorzystuje się także w radiografii - metodzie badania wewnętrznej struktury obiektów za pomocą prześwietlenia promieniowaniem jonizującym. W radiografii wykorzystuje się zazwyczaj promieniowanie X (rentgenowskie). Obrazy uzyskane w tej metodzie obrazowania to radiogramy.

Radioizotopy stosuje się także w medycynie w bardzo precyzyjnych zabiegach, takich jak terapia nowotworowa czy badania tarczycy. Do naświetlania komórek nowotworów stosuje się tzw. bombę kobaltową - urządzenie naświetlające chore tkanki dużymi dawkami promieniowania g. Źródłem promieniowania, o aktywności rzędu 1014 Bq, jest izotop kobaltu 60Co. W badaniach tarczycy stosuje się natomiast izotopy 131I oraz 99Tc. Dożylnie lub doustnie podany izotop gromadzi się w miąższu tarczycy i jej guzkach. Im bardziej rozwinięta i dojrzała czynnościowo jest tkanka guzka, tym więcej izotopu się w niej gromadzi. Badanie stężenia izotopu umożliwia zlokalizowanie tkanek nowotworowych w tarczycy.

Niektóre izotopy promieniotwórcze znalazły zastosowanie w tzw. wagach izotopowych - miernikach służących do pomiaru gęstości powierzchniowej badanych próbek. Pomiar wagą izotopową polega na naświetleniu próbki promieniowaniem (zazwyczaj b) i pomiarem absorpcji za pomocą licznika Geigera - Mullera. Za pomocą odpowiednio wykalibrowanego przelicznika wyznacza się masę adsorbenta oraz jego grubość, a następnie oblicza gęstość powierzchniową.

Bardzo ważnym zastosowaniem izotopii promieniotwórczej są analizy zanieczyszczeń chemicznych przeprowadzane w elektrowniach spalających paliwa węglowe. Stałe kontrole procesu spalania oraz możliwość odpowiedniej regulacji dopływu powietrza lub paliwa są niezbędne, aby elektrownie mogły ograniczyć emisję szkodliwych substancji oraz uzyskiwać maksymalną ilość energii.

Jednym ze wskaźników jakości procesu spalania jest ilość węgla zawarta w popiele, wyrażona w procentach. Przy niewielkiej zawartości (do 5% wagowych) odpady można wykorzystać w innych gałęziach przemysłu, na przykład do produkcji cementu budowlanego. W praktyce jednak, zawartość węgla może się zwiększać dochodząc nawet do 20%. Warunkiem tego, aby proces spalania mógł być regulowany, są stałe pomiary zawartości węgla w popiele. Zwykły pomiar, bez użycia radioizotopów, polega na kilkakrotnym zbieraniu próbek w ciągu dnia i analizowaniu ich w laboratorium. Zależnie od wyników analizy, możliwe jest usprawnienie procesu spalania np. przez zwiększenie dopływu powietrza, i zmniejszenie poziomu węgla do poziomu odpowiadającego optymalnemu procesowi. Jednak czas potrzebny na zebranie próbek oraz ich analizę jest zbyt długi, aby proces regulacji spalania przebiegał płynnie. Zastosowanie do badania ilości węgla w popiele radioizotopii ogranicza się do badania próbek przy użyciu licznika Geigera - Mullera. Umożliwia to regulację spalania w czasie rzeczywistym.

Ciekawym przykładem zastosowania długożyciowych izotopów promieniotwórczych są zasilacze izotopowe, służące, jak sama nazwa wskazuje, do wytwarzania energii. Zasilacze (ogniwa) izotopowe czerpią energię z przemian jądrowych, jednak nie na zasadzie reaktorów jądrowych. Energia wytwarzana jest w wyniku zachodzenia efektu termoelektrycznego przy absorpcji promieniowania jądrowego (termiczne zasilacze izotopowe, korzystające z izotopów a - promieniotwórczych, takich jak 238Pu) lub bezpośrednio z emitowanych w rozpadzie ładunków (nietermiczne zasilacze izotopowe, korzystające z izotopów b promieniotwórczych, takich jak 90Sr, 147Pr). Zasilacze izotopowe są bezpieczne nawet dla osób przebywających w ich bezpośrednim kontakcie, gdyż promieniowanie a i b jest bardzo mało przenikliwe. Ogniwa takie stosuje się w wypadkach, gdy niezbędna jest absolutna niezawodność zasilania i nie jest konieczna duża moc, na przykład jako zasilanie rozruszników serca, w sondach kosmicznych działających przez dłuższy czas niezależnie od zewnętrznego zasilania (amerykańskie zasilacze SNAP) czy też w stacjach meteorologicznych znajdujących się w trudno dostępnym, arktycznym terenie.

Izotopy promieniotwórcze stosuje się także w badaniach naukowych, do określania własności cząsteczek, kinetyki i mechanizmów reakcji, przebiegu procesów fizykochemicznych itp.