Theo National Science Foundation, đồng vị rất quan trọng để giúp các nhà khoa học hiểu cấu tạo của nguyên tử theo nghĩa lý thuyết cũng như do các đặc điểm riêng biệt mà đồng vị của một số nguyên tố có thể có. Đồng vị có thể không ổn định và tạo cơ hội cho sự phân hạch, hoặc chúng có thể phân rã thành các đồng vị hoặc nguyên tố hoàn toàn mới. Các đồng vị cụ thể có trong phân tử cũng có thể đóng vai trò là dấu vân tay cấp nguyên tử.
Việc phát hiện ra đồng vị dẫn đến hiểu biết mới về cấu trúc nguyên tử, giải thích tại sao các mẫu khác nhau của một nguyên tố nhất định có thể hoạt động theo những cách khác nhau. Ví dụ, có ba đồng vị bền của oxy, và các phân tử nước chứa đồng vị nhẹ hơn bay hơi nhanh hơn một chút so với các đồng vị nặng hơn. Các phân tử oxy nặng hơn cũng có xu hướng ngưng tụ hơi nước nhanh hơn, vì vậy nước rơi ra từ các đám mây mưa có xu hướng trở nên nhẹ hơn về mặt nguyên tử khi cơn bão tiến triển.
Đồng vị cũng có thể không ổn định, chẳng hạn như các nguyên tố phóng xạ cung cấp năng lượng phân hạch hạt nhân. Khi các nguyên tử này phân rã, các hạt và năng lượng chúng phát ra có thể được khai thác trong vũ khí dưới dạng phản ứng không kiểm soát hoặc lò phản ứng hạt nhân như phản ứng có kiểm soát. Đồng vị cũng rất quan trọng trong pháp y vì tỷ lệ đồng vị trong một mẫu vật liệu nhất định có thể xác định nguồn gốc của nó. Ví dụ: nếu hai mẫu chì chứa cùng một hỗn hợp các đồng vị, thì rất có thể các mẫu đó đến từ cùng một nguồn.
