Τα ισότοπα είναι άτομα του ίδιου χημικού στοιχείου που έχουν τον ίδιο ατομικό αριθμό (Ζ), δηλαδή τον ίδιο αριθμό πρωτονίων στον πυρήνα τους, αλλά διαφορετικό μαζικό αριθμό (Α). Αυτή η διαφορά στον μαζικό αριθμό οφείλεται στο ότι τα ισότοπα έχουν διαφορετικό αριθμό νετρονίων στον πυρήνα τους. Επειδή ο ατομικός αριθμός καθορίζει την ταυτότητα του στοιχείου και τις χημικές του ιδιότητες (λόγω του αριθμού των ηλεκτρονίων σε ένα ουδέτερο άτομο), τα ισότοπα ενός στοιχείου παρουσιάζουν παρόμοιες χημικές συμπεριφορές.
Η κύρια διαφορά μεταξύ των ισοτόπων έγκειται στον αριθμό των νετρονίων. Για παράδειγμα, το υδρογόνο έχει τρία γνωστά ισότοπα: το πρωτίο (¹H) με 1 πρωτόνιο και 0 νετρόνια, το δευτέριο (²H) με 1 πρωτόνιο και 1 νετρόνιο, και το τρίτιο (³H) με 1 πρωτόνιο και 2 νετρόνια. Όλα είναι υδρογόνο, αλλά έχουν διαφορετική μάζα.
Επομένως, τα ισότοπα διαφέρουν κυρίως στις φυσικές τους ιδιότητες, όπως η ατομική μάζα, η πυκνότητα, το σημείο βρασμού και το σημείο τήξης. Οι χημικές τους ιδιότητες είναι σχεδόν ταυτόσημες, αν και μπορεί να παρατηρηθούν μικρές διαφορές στις ταχύτητες χημικών αντιδράσεων, ειδικά για τα ελαφρύτερα στοιχεία. Η ύπαρξη ισοτόπων εξηγεί γιατί η σχετική ατομική μάζα ενός στοιχείου που βρίσκουμε στον περιοδικό πίνακα δεν είναι πάντα ακέραιος αριθμός, καθώς είναι ο σταθμισμένος μέσος όρος των μαζών των φυσικών του ισοτόπων.