Gli isotopi (dal greco iso-topos, eguale posto, nella tavola periodica, dato che si tratta di atomi con lo stesso nome) sono atomi dello stesso elemento chimico, e quindi caratterizzati dallo stesso numero atomico, ma con differente numero di massa, e quindi massa atomica. Possiedono lo stesso numero di protoni ed elettroni (quindi proprietà chimiche uguali) ma un diverso numero di neutroni (quindi proprietà fisiche diverse), con conseguente differenza delle masse. Un atomo neutro possiede lo stesso numero di elettroni e di protoni. Di conseguenza, isotopi differenti dello stesso elemento possiedono lo stesso numero di protoni ed elettroni, la stessa struttura elettronica e comportamento chimico pressoché identico.

Possono essere naturali o artificiali, stabili o instabili (altresì noti come isotopi radioattivi). Vengono generalmente rappresentati con il simbolo dell' elemento preceduto a esponente dal numero di massa (es.²H o deuterio,¹²C,²³⁵U).

La risonanza magnetica nucleare (RMN) si basa sulle specifiche proprietà nucleari di specifici isotopi ed è una delle principali tecniche di diagnostica per immagini. I principali isotopi che vengono utilizzati in questa particolare tecnica sono ¹H, ²D,¹⁵N, ¹³C, e ³¹P. Il loro impiego consente la produzione di immagini ad alta risoluzione dei principali tessuti corporei.

Un isotopo molto importante del carbonio è il ¹⁴C, isotopo radioattivo che decade in un tempo di circa 5730 anni. Osservando l'ammontare del contenuto di questo isotopo nei tessuti fossili e nelle rocce è possibile dare una stima dell'età dell'oggetto stesso, risalendo al periodo in cui esso si sia formato.