Karbon-12, karbon-13 ve karbon-14'ün hepsi karbondur. Her birinin altı protonu vardır. Ancak karbon-12'nin altı nötronu, karbon-13'ün yedi nötronu ve karbon-14'ün sekiz nötronu vardır. Bunlar izotoplardır, aynı elementin farklı sayıda nötrona sahip atomlarıdır. Proton sayısı elementi tanımlar. Nötron sayısı ise izotopu tanımlar. Çoğu elementin birden fazla izotopu vardır ve bazılarının düzinelerce izotopu bulunur.

İzotoplar, aynı sayıda elektrona sahip oldukları için kimyasal olarak aynı şekilde davranırlar. Ancak kütleleri farklıdır; bu da fiziksel özelliklerini hafifçe, nükleer kararlılığı ise önemli ölçüde etkiler. Bazı izotoplar kararlıdır. Diğerleri ise radyoaktiftir, zamanla bozunur ve radyasyon yayar. Karbon-14 radyoaktiftir ve yaklaşık 5.730 yıllık bir yarı ömrü vardır. Bu da onu yaklaşık 50.000 yıl öncesine kadar olan organik kalıntıların tarihlendirilmesinde kullanışlı kılar.

İzotopların birçok kullanım alanı vardır. Döteryum ve trityum, nükleer füzyonda ve kimyada izleyici madde olarak kullanılan hidrojen izotoplarıdır. Uranyum-235 ve uranyum-238, nükleer yakıt ve silahlar için ayrıştırılır. Radyoaktif izotoplar, tıpta görüntüleme ve tedavi amaçlı kullanılır. Kararlı izotoplar ise çevre çalışmaları, gıda kimlik doğrulaması ve adli tıp alanlarında kullanılır. Bir örneğin izotop oranı, örneğin kökenini, tarihini ve yaşını ortaya çıkarabilir.