研究同位素在自然界的分佈、同位素分析、同位素分離、同位素效應和同位素應用的化學分支學科。
簡史 19世紀末，由於電子、X射線和放射性的發現，人類的認識能深入到原子內部。通過對放射性的研究，不僅發現瞭釙、鐳、錒等放射性元素，還從這些放射性元素中分離出30多種新的放射性“元素”，多到週期表中沒有可以容納它們的空位，而且有些放射性不同的新元素在化學性質上完全相同，彼此無法分開，以致在當當時引起懷疑：周期表對放射性元素是否適用？通過對這些事實的進一步研究，1913年F.索迪和K.法揚斯同時發現放射性元素位移規律，並提出同位素的概念，從而解決瞭許多新元素在周期表上的位置問題，並用同位素概念說明瞭它們之間的依存變化關系。
1913年J.J.湯姆孫和F.W.阿斯頓在用磁分析器研究氖時，發現瞭氖的兩種同位素──氖20和氖22。這是第一次發現穩定同位素。1919年阿斯頓制成質譜儀，隨後他在71種元素中，發現瞭202種同位素，並測定瞭各同位素的豐度。1920年G.C.de赫維西和L.K.策希邁斯特爾研究瞭同位素交換反應。1931年H.C.尤裡等發現重氫；1933年G.N.路易斯等用電解法制得純重水；1934年挪威利用其廉價水電能建立瞭第一座重水工廠。1942年美國建造瞭電磁分離器並分離出鈾235；1943年美國又建立瞭三座六氟化鈾氣體擴散工廠生產鈾235；1944年美國橡樹嶺國傢實驗室首先生產瞭千克量的鈾235，並制造瞭第一顆原子彈。
重水既是建造反應堆的重要原料，又是熱核燃料和熱核武器的原料。第二次世界大戰後，一些國傢競相研究生產重水的新方法，其中硫化氫雙溫交換法、液氫精餾法等都實現瞭工業化生產。
從50年代開始，為瞭尋找更好的同位素分離方法，不斷把科學技術新成就應用到同位素分離技術中。例如，60年代的色譜法和70年代開始的激光法分離同位素的研究，都取得瞭突破性進展。到80年代中期，世界上用同位素分離法生產的同位素主要有：氘、氚、氦3、鋰6、硼10、碳13、氮15、氧18和鈾235等。其中，重水的年產量以千噸計。例如，世界上最大的重水生產國加拿大，用雙溫交換法生產重水，1982年的年生產能力已達4000噸。硼10的世界年產量則以百千克計。隨著核科學技術的發展，特別是核武器的研制和核電站的發展，更加推動瞭同位素化學的發展。
研究內容 同位素化學的主要研究內容包括同位素的分佈、同位素分析、同位素分離、同位素效應。
同位素的分佈 同位素分佈規律的研究有以下四個方面：①同位素穩定性規律，研究地球上存在的300多種核素的穩定范圍和穩定性規律（見穩定同位素）；②同位素豐度，研究地球物質中各種元素的同位素豐度的一般規律；③地球上同位素分佈的漲落，在自然界中，元素不論是遊離狀態還是化合狀態，其同位素組成基本是恒定的，其漲落規律是同位素化學的研究課題之一；④元素的起源和演化，為瞭弄清宇宙中各種同位素分佈規律，就必須研究元素的起源和演化過程。
同位素分析 用於同位素分析的方法有：①質譜法，是最重要的同位素分析法，不僅精密度高，而且可分析同位素的種類也多。②光譜法，用於分析氘的精密度達0.0002％，可與質譜法相比；是分析氮15最方便的方法，已有專門的光譜儀生產；分析鈾235和鈾238則須用大型光柵攝譜儀。③氣相色譜法，用於分析氕、氘，迅速而靈敏，可測全部濃度范圍的氘含量。④核磁共振譜法，用於測量濃重水中的微量氕，精密度可達±0.01％，也可用於分析碳13、氮15等同位素。⑤中子活化分析，可用於測定硼10、鋰6和鈾235等同位素。⑥水的同位素分析，在同位素分析中占有獨特地位，這不僅出於控制重水生產流程的需要，也為瞭解決在同位素地球化學以及其他用氘和氧18示蹤的研究工作中的問題。水同位素分析中最有實效的方法是密度法，不僅儀器設備簡單，而且測量精度很高，此外還有紅外光譜法。
同位素分離 根據分離原理可分為五類：①根據分子或離子的質量差進行分離，有電磁法、離心分離等方法。②根據分子或離子運動速度的不同進行分離，有孔膜擴散、質量擴散、熱擴散、噴嘴擴散、分子蒸餾、電泳等方法。③根據熱力學同位素效應進行分離，有精餾、化學交換、氣相色譜、離子交換、吸收、溶劑萃取、分級結晶、超流動性等方法。④根據動力學同位素效應進行分離，有電解法、同位素化學交換法、光化學法、激光分離法等。⑤根據生物學同位素效應進行分離。（見同位素分離、鈾同位素分離）
同位素效應 可分為四個研究方面：①光譜同位素效應，因同位素核質量的不同使原子或分子的能級發生變化，從而引起光譜譜線位移。這一效應不僅用於分析同位素，更重要的是用於研究分子結構。②熱力學同位素效應，同位素的質量差別越大，其物理、化學性質的差別也越大，是輕同位素分離的理論基礎。③動力學同位素效應，同位素的取代使反應物的能態發生變化，可引起化學反應速率的差異。此效應能用於分離同位素、研究化學反應機理和溶液理論。④生物學同位素效應，在生物學同位素效應中，以氘的效應最為顯著，尚未觀察到碳13、氮15和氧18等生命重要元素的重同位素有顯著的生物學同位素效應。（見同位素效應）
同位素應用 主要是利用化學合成法、同位素交換法和生物合成法等制備標記化合物，以及標記化合物在化學、生物學、醫學和農業科學研究中的應用。