De acordo com a National Science Foundation, os isótopos são importantes para ajudar os cientistas a compreender a composição dos átomos em um sentido teórico, bem como devido às características únicas que os isótopos de certos elementos podem ter. Os isótopos podem ter ser instáveis e fornecer oportunidades para fissão, ou eles podem decair em isótopos ou elementos inteiramente novos. Os isótopos específicos presentes nas moléculas também podem servir como impressões digitais em nível atômico.
A descoberta de isótopos levou a uma nova compreensão da estrutura atômica, explicando por que diferentes amostras de um determinado elemento podem se comportar de maneiras diferentes. Por exemplo, existem três isótopos estáveis de oxigênio, e as moléculas de água contendo os isótopos mais leves evaporam um pouco mais rápido do que as versões mais pesadas. Moléculas de oxigênio mais pesadas tendem a se condensar a partir do vapor d'água mais rapidamente, também, então a água que cai das nuvens de chuva tende a se tornar atomicamente mais leve conforme a tempestade avança.
Os isótopos também podem ser instáveis, como os elementos radioativos que impulsionam a fissão nuclear. Quando esses átomos decaem, as partículas e a energia que eles emitem podem ser aproveitadas em armas como reações descontroladas ou em reatores nucleares como reações controladas. Os isótopos também são importantes na perícia porque a proporção dos isótopos em uma determinada amostra de material pode identificar sua origem. Se duas amostras de chumbo contiverem a mesma mistura de isótopos, por exemplo, é provável que as amostras tenham vindo da mesma fonte.
