Nguyên tử cacbon có sáu proton và sáu neutron. Khối lượng của nó xấp xỉ 12 đơn vị khối lượng nguyên tử. Nhưng không phải tất cả các nguyên tử cacbon đều giống nhau. Cacbon-12 có sáu neutron. Cacbon-13 có bảy. Cacbon-14 có tám. Đây là các đồng vị, các nguyên tử của cùng một nguyên tố nhưng có số neutron khác nhau. Khối lượng nguyên tử là khối lượng trung bình có trọng số của các nguyên tử của một nguyên tố, có tính đến tỷ lệ phần trăm của mỗi đồng vị.

Đơn vị khối lượng nguyên tử (amu) được định nghĩa là một phần mười hai khối lượng của nguyên tử cacbon-12. Nó xấp xỉ 1,66 x 10⁻²⁷ kg. Proton và neutron đều có khối lượng gần bằng 1 amu. Electron nhẹ hơn nhiều, khoảng 1/1836 khối lượng của một proton. Khối lượng nguyên tử của một nguyên tố thường gần bằng số khối của đồng vị phổ biến nhất của nó, nhưng không hoàn toàn chính xác, do sự thiếu hụt khối lượng từ năng lượng liên kết.

Khối lượng nguyên tử rất quan trọng trong hóa học. Nó được sử dụng để tính khối lượng mol, tức là khối lượng của một mol chất. Khối lượng mol của một nguyên tố tính bằng gam trên mol bằng với khối lượng nguyên tử của nó tính bằng amu. Mối quan hệ đó cho phép chuyển đổi giữa khối lượng và mol, điều này rất cần thiết cho phép tính toán tỉ lệ mol (stoichiometry).

Bảng tuần hoàn liệt kê khối lượng nguyên tử, thường được biểu thị dưới dạng số thập phân. Số thập phân phản ánh giá trị trung bình có trọng số của các đồng vị. Ví dụ, clo có khối lượng nguyên tử là 35,45, vì nó là hỗn hợp của clo-35 và clo-37.