تحتوي ذرة الكربون على ستة بروتونات وستة نيوترونات، وكتلتها حوالي 12 وحدة كتلة ذرية. لكن ذرات الكربون ليست متماثلة. فالكربون-12 يحتوي على ستة نيوترونات، والكربون-13 على سبعة، والكربون-14 على ثمانية. هذه نظائر، أي ذرات لنفس العنصر تختلف في عدد النيوترونات. الكتلة الذرية هي متوسط ​​الكتلة المرجح لذرات العنصر، مع الأخذ في الاعتبار وفرة كل نظير.

تُعرَّف وحدة الكتلة الذرية بأنها جزء من اثني عشر جزءًا من كتلة ذرة الكربون-12. وهي تُقارب 1.66 × 10⁻²⁷ كيلوغرام. يبلغ وزن كل من البروتونات والنيوترونات حوالي 1 وحدة كتلة ذرية. أما الإلكترونات فهي أخف بكثير، إذ يبلغ وزنها حوالي 1/1836 من وزن البروتون. عادةً ما تكون الكتلة الذرية للعنصر قريبة من العدد الكتلي لنظيره الأكثر وفرة، ولكن ليس تمامًا، وذلك بسبب نقص الكتلة الناتج عن طاقة الربط.

الكتلة الذرية مهمة في الكيمياء. تُستخدم لحساب الكتلة المولية، وهي كتلة مول واحد من المادة. الكتلة المولية لعنصر ما، مُقاسة بالجرام لكل مول، تساوي عدديًا كتلته الذرية بوحدة الكتلة الذرية (amu). هذه العلاقة تُتيح التحويل بين الكتلة والمولات، وهو أمر أساسي في حسابات التفاعلات الكيميائية.

يُدرج الجدول الدوري الكتل الذرية، عادةً على شكل أعداد عشرية. ويعكس العدد العشري المتوسط ​​المرجح للنظائر. فعلى سبيل المثال، تبلغ الكتلة الذرية للكلور 35.45، لأنه خليط من الكلور-35 والكلور-37.