По определению, изотоп является разновидностью атома (и ядра) одного химического элемента с разным количеством нейтронов в ядре. Название «изотоп» связано с тем, что они находятся в одном и том же месте, в соответствующей клетке таблицы Менделеева.

Химические свойства атома зависят только от строения электронной оболочки, которая, в свою очередь, определяется в основном зарядом ядра - количеством протонов в ядре и почти не зависит от его массового числа - суммарного числа протонов и нейтронов.

Практически все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, отличаясь лишь числом нейтронов. Обычно изотоп обозначается символом соответствующего химического элемента, к которому он относится, с добавлением верхнего левого индекса, который означает массовое число.

При исследовании радиоактивных превращений атомов тяжёлых элементов было получено первое доказательство того, что вещества, имеющие одинаковое химическое поведение, могут иметь различные физические свойства. В 1906 — 1907 годах, в результате экспериментов выяснилось, что продукт радиоактивного распада урана — ионий и продукт радиоактивного распада тория — радиоторий, имеют те же химические свойства, что и торий, но отличаются от него атомной массой и характеристиками радиоактивного распада. Позднее было обнаружено, что у всех трёх сравниваемых продуктов одинаковы оптические и рентгеновские спектры.

Вещества, различные по массе атомов и некоторым физическим свойствам, но идентичные по химическим свойствам, по предложению английского учёного Федерика Содди, которое он сделал 18 февраля 1913 года, стали называть термином «изотоп».