Uhlík-12, uhlík-13 a uhlík-14 jsou všechny uhlík. Každý má šest protonů. Uhlík-12 má však šest neutronů, uhlík-13 sedm a uhlík-14 osm. Jsou to izotopy, atomy stejného prvku s různým počtem neutronů. Počet protonů definuje prvek. Počet neutronů definuje izotop. Většina prvků má více izotopů a některé jich mají desítky.

Izotopy se chemicky chovají stejně, protože mají stejný počet elektronů. Liší se však hmotností, která mírně ovlivňuje fyzikální vlastnosti a dramaticky jadernou stabilitu. Některé izotopy jsou stabilní. Jiné jsou radioaktivní, časem se rozpadají a emitují záření. Uhlík-14 je radioaktivní s poločasem rozpadu přibližně 5 730 let. Díky tomu je užitečný pro datování organických pozůstatků starých až do věku přibližně 50 000 let.

Izotopy mají mnoho využití. Deuterium a tritium jsou izotopy vodíku používané při jaderné fúzi a jako stopovače v chemii. Uran-235 a uran-238 se oddělují pro jaderné palivo a zbraně. Radioaktivní izotopy se používají v medicíně pro zobrazování a terapii. Stabilní izotopy se používají v environmentálních studiích, při ověřování pravosti potravin a ve forenzní vědě. Poměr izotopů ve vzorku může odhalit jeho původ, historii a stáří.