Według National Science Foundation izotopy są ważne zarówno dla naukowców, którzy rozumieją budowę atomów w sensie teoretycznym, jak i ze względu na unikalne właściwości niektórych izotopów pewnych pierwiastków. Izotopy mogą być niestabilne i stwarzać możliwości rozszczepienia lub mogą rozpadać się na całkowicie nowe izotopy lub pierwiastki. Specyficzne izotopy obecne w cząsteczkach mogą również służyć jako odciski palców na poziomie atomowym.
Odkrycie izotopów doprowadziło do nowego zrozumienia struktury atomowej, wyjaśniając, dlaczego różne próbki danego elementu mogą zachowywać się na różne sposoby. Na przykład istnieją trzy stabilne izotopy tlenu, a cząsteczki wody zawierające lżejsze izotopy parują nieco szybciej niż cięższe wersje. Cięższe cząsteczki tlenu mają tendencję do szybszego skraplania się z pary wodnej, więc woda, która spada z deszczowych chmur, staje się atomowo lżejsza w miarę postępu burzy.
Izotopy mogą być również niestabilne, np. pierwiastki promieniotwórcze, które napędzają rozszczepienie jądrowe. Kiedy te atomy rozpadają się, cząstki i energia, którą emitują, można wykorzystać w broni jako niekontrolowanych reakcjach lub jądrowych reaktorach jako kontrolowanych reakcjach. Izotopy są również ważne w kryminalistyce, ponieważ stosunek izotopów w danej próbce materiału może wskazywać na jego pochodzenie. Jeśli na przykład dwie próbki ołowiu zawierają taką samą mieszankę izotopów, prawdopodobnie próbki pochodzą z tego samego źródła.
