Kulstof-12, kulstof-13 og kulstof-14 er alle kulstof. Hver især har seks protoner. Men kulstof-12 har seks neutroner, kulstof-13 har syv, og kulstof-14 har otte. De er isotoper, atomer af det samme element med forskellige antal neutroner. Antallet af protoner definerer elementet. Antallet af neutroner definerer isotopen. De fleste elementer har flere isotoper, og nogle har snesevis.

Isotoper opfører sig kemisk set ens, fordi de har det samme antal elektroner. Men de adskiller sig i masse, hvilket påvirker de fysiske egenskaber en smule og den nukleare stabilitet dramatisk. Nogle isotoper er stabile. Andre er radioaktive, henfalder over tid og udsender stråling. Kulstof-14 er radioaktivt med en halveringstid på omkring 5.730 år. Det gør det nyttigt til datering af organiske rester op til omkring 50.000 år gamle.

Isotoper har mange anvendelser. Deuterium og tritium er isotoper af brint, der bruges i nuklear fusion og som sporstoffer i kemi. Uran-235 og uran-238 adskilles til fremstilling af nukleart brændsel og våben. Radioaktive isotoper bruges i medicin til billeddannelse og terapi. Stabile isotoper bruges i miljøundersøgelser, fødevaregodkendelse og retsmedicin. Isotopforholdet i en prøve kan afsløre dens oprindelse, historie og alder.