Koolstof-12, koolstof-13 en koolstof-14 zijn alle drie koolstofatomen. Elk heeft zes protonen. Maar koolstof-12 heeft zes neutronen, koolstof-13 heeft er zeven en koolstof-14 heeft er acht. Het zijn isotopen, atomen van hetzelfde element met een verschillend aantal neutronen. Het aantal protonen definieert het element. Het aantal neutronen definieert de isotoop. De meeste elementen hebben meerdere isotopen, en sommige hebben er tientallen.

Isotopen gedragen zich chemisch hetzelfde omdat ze hetzelfde aantal elektronen hebben. Ze verschillen echter in massa, wat de fysische eigenschappen enigszins beïnvloedt en de nucleaire stabiliteit aanzienlijk. Sommige isotopen zijn stabiel. Andere zijn radioactief, vervallen in de loop van de tijd en zenden straling uit. Koolstof-14 is radioactief, met een halfwaardetijd van ongeveer 5730 jaar. Daardoor is het bruikbaar voor het dateren van organische resten tot ongeveer 50.000 jaar oud.

Isotopen hebben vele toepassingen. Deuterium en tritium zijn isotopen van waterstof die worden gebruikt bij kernfusie en als tracers in de chemie. Uranium-235 en uranium-238 worden gescheiden voor kernbrandstof en kernwapens. Radioactieve isotopen worden in de geneeskunde gebruikt voor beeldvorming en therapie. Stabiele isotopen worden gebruikt in milieuonderzoek, voedselauthenticatie en forensisch onderzoek. De isotopenverhouding van een monster kan de herkomst, geschiedenis en ouderdom ervan onthullen.