Znaczna część poznanych pierwiastków chemicznych wykazuje różnorodność pod względem liczby atomowej (posiadają tę samą liczbę protonów, natomiast różnią się liczbą neutronów). Te poszczególne typy atomów, mimo odmiennej liczby atomowej należą do jednego pierwiastka i mają niemal identyczne własności chemiczne. Atomy takie nazywamy izotopami (z łaciny isos- równy, topos- miejsce), a w układzie okresowym widnieją na tym samym miejscu. Przykładem może być wodór [H], najlżejszy z pierwiastków chemicznych, występuje w postaci dwóch stabilnych izotopów 1H (prot) i 2H (deuter, oznaczany również symbolem D) oraz jednego niestabilnego - 3H (tryt, oznaczany również symbolem T). Ze względu na to, że jeden z izotopów stabilnych jest dwa razy cięższy od drugiego, różnią się one dość znacznie właściwościami chemicznymi. Z wyjątkiem izotopów wodoru, izotopy nie mają oddzielnych nazw i oznaczane są symbolem pierwiastka chemicznego z liczbą masową u góry po lewej stronie. Węgiel [C] ma pięć izotopów z czego 4 są trwałe (o liczbie atomowej 11C, 12C, 13C oraz 14C), natomiast ołów [Pb] posiada ich szesnaście, z czego siedem stabilnych (202Pb, 204Pb, 205Pb, 206Pb 207Pb, 208Pb oraz 2010Pb).

Z powodu różnicy mas atomowych, izotopy cechują się odmiennymi niektórymi własnościami fizycznymi, przy czym różnice te są tym większe, im większy jest rozrzut ich mas względem siebie. Ta odmienność w masach atomowych izotopów powoduje, że w formie czystej różnią się one gęstością, temperaturą wrzenia, topnienia oraz sublimacji. Różnice te rozciągają się także na związki chemiczne o różnym składzie izotopowym, powodują także występowanie niewielkich różnic w reaktywności pierwiastków. Reaktywność ta nie ma jednak wpływu na kierunek reakcji chemicznych, w których biorą udział dane pierwiastki, ale oddziałuje na prędkość tych reakcji. Jest to tzw. efekt izotopowy, który znajduje zastosowanie w badaniu mechanizmów reakcji chemicznych (niewielkie różnice w szybkości reakcji powodują zmiany w składzie izotopowym związków chemicznych, które powstają w różnych reakcjach).

Wyróżniamy izotopy trwałe (nie ulegające samorzutnej przemianie na izotopy innych pierwiastków) oraz nietrwałe (izotopy promieniotwórcze- ulegające samorzutnej przemianie na inne izotopy zazwyczaj innego pierwiastka). Te drugie, zwane także radioizotopami to niestabilne, radioaktywne izotopy, których atomy samoistnie rozpadają się przy równoczesnym wydzieleniu energii w postaci promieniowania gamma. Charakterystyczną cechą izotopów promieniotwórczych jest okres połowicznego rozpadu (czas, w którym zanika połowa jąder danego pierwiastka). Okres połowicznego zaniku nie zależy od powiązań chemicznych atomu izotopu. Radioizotopy mogą występować naturalnie lub być produkowane przez bombardowanie cząstkami elementarnymi danej próbki stabilnego izotopu. Ze względu na swoją radioaktywność oraz intensywność promieniowania, mogą być łatwo wykryte a także określone ilościowo. W celu rozróżnienia innych izotopów, można wykorzystać nieznaczne różnice masy atomowej, którą powoduje dodatkowy neutron w jądrze atomu. Do tego służy urządzenie zwane spektrometrem masowym. Przykładowo, izotop azotu 15N (azot ciężki) w miejsce 14N czy izotop wodoru 2H (deuter- wodór ciężki) zamiast 1H wykazują większą masę.

Izotopy stosuje się jako znaczniki w medycynie, chemii oraz biochemii. Polega to na tym, że tak celowo wprowadzony do cząsteczek chemicznych, a następnie do organizmu izotop- znacznik (lub poddany reakcji chemicznej, po czym dzięki wykrywaniu emitowanego przez nie promieniowania gamma śledzi się ich drogę metaboliczną w czasie przemian, którym podlegają) umożliwia zbadanie rozprzestrzeniania się wprowadzonych cząsteczek w układzie, a pośrednio mechanizmów reakcji chemicznych oraz procesów metabolicznych w organizmie. Działa to tak: do organizmu wprowadza się promieniotwórczy węgiel 11C lub 14C (w zamian za 12C) a nawet węgiel ciężki 13C. Znakowana substancja (wstrzyknięta do organizmu) zostaje potem izolowana, a produkty powstałe w wyniku jej metabolizmu- dokładnie zbadane. Dzięki temu możliwe jest prześledzenie szeregu reakcji, ich produktów pośrednich i końcowych. Najczęściej stosowanym izotopem do tych celów jest izotop węgla 14C (datowanie), który znalazł swoje zastosowanie w badaniach historycznych oraz geologicznych. Wykorzystuje się tutaj zmianę w czasie ilości izotopów promieniotwórczych lub produktów przemian izotopowych w badanym materiale. Przykładowo, pod wpływem promieniowania kosmicznego w atmosferze ziemskiej powstaje właśnie izotop węgla 14C, który to pierwiastek wbudowuje się w organizmy żywe i ulega rozkładowi. Badając ilość tego izotopu w substancji organicznej można w miarę dokładnie określić faktyczny wiek danego zabytku lub skamieliny.

Kolejnym medycznym zastosowaniem izotopów promieniotwórczych, jest zwalczanie komórek nowotworowych przy wykorzystaniu radioizotopów jako źródło promieniowania gamma. Są to tzw. bomby naświetleniowe, czyli duże próbki radioizotopu emitujące z zewnątrz promieniowanie, które zabija komórki rakowe w określonych miejscach ciała. Inną metodą jest forma chemioterapii radiacyjnej. Polega ona na podawaniu związków zawierających dużą ilość radioizotopu, które same mają tendencję do wędrowania w organizmie do chorego miejsca. Zarówno w medycynie jak i w przemyśle spożywczym, radioizotopy stosuje się do szybkiej i efektywnej sterylizacji sprzętu, leków oraz żywności. Silne promieniowanie gamma jest bowiem zabójcze dla większości bakterii i grzybów chorobotwórczych i gnilnych. W gałęzi przemysłu chemicznego, radioizotopy są stosowane jako źródła promieniowania w reakcjach, które zachodzą pod wpływem właśnie tego promieniowania. W różnego rodzaju czujnikach czy detektorach substancji, radioizotopy stosuje się jako źródła promieniowania.

Radioizotop pierwiastka fosforu 15P, który emituje promieniowanie beta (którego energia wynosi 1,7 MeV), a czas połowicznego rozkładu odpowiada dwóm tygodniom, wykorzystywany jest do śledzenia różnych procesów biochemicznych, co umożliwia dokładne poznanie mechanizmów jego oddziaływania na organizmy żywe. Analogicznie, w celu prześledzenia wędrówki wód podziemnych, wykorzystuje się tryt, izotop wodoru, który po wprowadzeniu do wody (zamiast H2O wprowadza się wodę trytową- T2O). Ze względu na właściwości promieniotwórcze trytu, łatwo można prześledzić wędrówkę wody. Ponieważ promieniowanie emitowane przez tryt ma małą przenikliwość (o energii 18 KeV), próbki należy pobierać w różnych miejscach. Z kolei radioizotop siarki 16S, którego energia promieniowania wynosi 170 KeV, umożliwia badanie ścieralności opon samochodowych.