Selon la National Science Foundation, les isotopes sont importants à la fois pour aider les scientifiques à comprendre la composition des atomes dans un sens théorique ainsi qu'en raison des caractéristiques uniques que les isotopes de certains éléments peuvent avoir. Les isotopes peuvent être instables et offrir des possibilités de fission, ou ils peuvent se désintégrer en isotopes ou éléments entièrement nouveaux. Les isotopes spécifiques présents dans les molécules peuvent également servir d'empreintes digitales au niveau atomique.
La découverte des isotopes a conduit à une nouvelle compréhension de la structure atomique, expliquant pourquoi différents échantillons d'un élément donné peuvent se comporter de différentes manières. Par exemple, il existe trois isotopes stables de l'oxygène, et les molécules d'eau contenant les isotopes les plus légers s'évaporent légèrement plus rapidement que les versions plus lourdes. Les molécules d'oxygène plus lourdes ont également tendance à se condenser plus rapidement à partir de la vapeur d'eau, de sorte que l'eau qui tombe des nuages de pluie a tendance à devenir plus légère au fur et à mesure que la tempête progresse.
Les isotopes peuvent également être instables, comme les éléments radioactifs qui alimentent la fission nucléaire. Lorsque ces atomes se désintègrent, les particules et l'énergie qu'ils émettent peuvent être exploitées dans des armes en tant que réactions incontrôlées ou dans des réacteurs nucléaires en tant que réactions contrôlées. Les isotopes sont également importants en médecine légale car le rapport des isotopes dans un échantillon donné de matériau peut identifier son origine. Si deux échantillons de plomb contiennent le même mélange d'isotopes, par exemple, il est probable que les échantillons proviennent de la même source.
