Ο άνθρακας-12, ο άνθρακας-13 και ο άνθρακας-14 είναι όλοι άνθρακας. Κάθε ένα έχει έξι πρωτόνια. Αλλά ο άνθρακας-12 έχει έξι νετρόνια, ο άνθρακας-13 έχει επτά και ο άνθρακας-14 έχει οκτώ. Είναι ισότοπα, άτομα του ίδιου στοιχείου με διαφορετικό αριθμό νετρονίων. Ο αριθμός των πρωτονίων ορίζει το στοιχείο. Ο αριθμός των νετρονίων ορίζει το ισότοπο. Τα περισσότερα στοιχεία έχουν πολλαπλά ισότοπα, και μερικά έχουν δεκάδες.

Τα ισότοπα συμπεριφέρονται χημικά με τον ίδιο τρόπο επειδή έχουν τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων. Αλλά διαφέρουν ως προς τη μάζα, η οποία επηρεάζει ελαφρώς τις φυσικές ιδιότητες και δραματικά τη σταθερότητα του πυρήνα. Ορισμένα ισότοπα είναι σταθερά. Άλλα είναι ραδιενεργά, διασπώνται με την πάροδο του χρόνου και εκπέμπουν ακτινοβολία. Ο άνθρακας-14 είναι ραδιενεργός, με χρόνο ημιζωής περίπου 5.730 χρόνια. Αυτό τον καθιστά χρήσιμο για τη χρονολόγηση οργανικών υπολειμμάτων ηλικίας έως και 50.000 ετών.

Τα ισότοπα έχουν πολλές χρήσεις. Το δευτέριο και το τρίτιο είναι ισότοπα του υδρογόνου που χρησιμοποιούνται στην πυρηνική σύντηξη και ως ιχνηθέτες στη χημεία. Το ουράνιο-235 και το ουράνιο-238 διαχωρίζονται για πυρηνικά καύσιμα και όπλα. Τα ραδιενεργά ισότοπα χρησιμοποιούνται στην ιατρική για απεικόνιση και θεραπεία. Τα σταθερά ισότοπα χρησιμοποιούνται σε περιβαλλοντικές μελέτες, στην πιστοποίηση τροφίμων και στην εγκληματολογία. Η αναλογία ισοτόπων ενός δείγματος μπορεί να αποκαλύψει την προέλευση, το ιστορικό και την ηλικία του.