Secondo la National Science Foundation, gli isotopi sono importanti sia per aiutare gli scienziati a comprendere la composizione degli atomi in senso teorico sia per le caratteristiche uniche che gli isotopi di alcuni elementi possono avere. Gli isotopi possono essere instabili e fornire opportunità per la fissione, oppure possono decadere in isotopi o elementi completamente nuovi. Gli isotopi specifici presenti nelle molecole possono anche servire come impronte digitali a livello atomico.
La scoperta degli isotopi ha portato a una nuova comprensione della struttura atomica, spiegando perché i diversi campioni di un dato elemento potrebbero comportarsi in modi diversi. Per esempio, ci sono tre isotopi stabili di ossigeno, e le molecole d'acqua contenenti gli isotopi più leggeri evaporano leggermente più velocemente rispetto alle versioni più pesanti. Le molecole di ossigeno più pesanti tendono a condensare più rapidamente anche dal vapore acqueo, quindi l'acqua che cade dalle nuvole di pioggia tende a diventare atomicamente più leggera man mano che la tempesta avanza.
Gli isotopi possono anche essere instabili, come gli elementi radioattivi che alimentano la fissione nucleare. Quando questi atomi decadono, le particelle e l'energia che emettono possono essere imbrigliate nelle armi come reazioni incontrollate o reattori nucleari come reazioni controllate. Gli isotopi sono importanti anche in medicina legale perché il rapporto degli isotopi in un dato campione di materiale può identificare la sua origine. Se due campioni di piombo contengono lo stesso mix di isotopi, ad esempio, è probabile che i campioni provengano dalla stessa fonte.
