Cacbon-12, cacbon-13 và cacbon-14 đều là cacbon. Mỗi nguyên tử đều có sáu proton. Nhưng cacbon-12 có sáu neutron, cacbon-13 có bảy, và cacbon-14 có tám. Chúng là các đồng vị, các nguyên tử của cùng một nguyên tố nhưng có số neutron khác nhau. Số proton xác định nguyên tố. Số neutron xác định đồng vị. Hầu hết các nguyên tố đều có nhiều đồng vị, và một số nguyên tố có hàng chục đồng vị.

Các đồng vị có tính chất hóa học giống nhau vì chúng có cùng số electron. Nhưng chúng khác nhau về khối lượng, điều này ảnh hưởng nhẹ đến các tính chất vật lý và ảnh hưởng đáng kể đến độ ổn định hạt nhân. Một số đồng vị ổn định. Một số khác là phóng xạ, phân rã theo thời gian và phát ra bức xạ. Carbon-14 là chất phóng xạ, với chu kỳ bán rã khoảng 5.730 năm. Điều đó làm cho nó hữu ích trong việc xác định niên đại của các di vật hữu cơ có tuổi đời lên đến khoảng 50.000 năm.

Các đồng vị có nhiều ứng dụng. Deuterium và tritium là các đồng vị của hydro được sử dụng trong phản ứng tổng hợp hạt nhân và làm chất đánh dấu trong hóa học. Uranium-235 và uranium-238 được tách ra để sản xuất nhiên liệu hạt nhân và vũ khí hạt nhân. Các đồng vị phóng xạ được sử dụng trong y học để chẩn đoán hình ảnh và điều trị. Các đồng vị bền được sử dụng trong nghiên cứu môi trường, xác thực thực phẩm và pháp y. Tỷ lệ đồng vị của một mẫu có thể tiết lộ nguồn gốc, lịch sử và tuổi của nó.