具有相同核電荷但原子質量不同的原子（核素）被稱為同位素。自19世紀末發現放射性以來，到20世紀初，人們已經發現了30多種放射性元素，并且證實有些放射性元素雖然放射性強弱不同，但化學性質卻完全一樣。

1910年，英國化學家F.索迪提出了一個假說：化學元素存在原子量和放射性不同而其他物理化學性質相同的變種，并認為這些變種應當處于周期表的同一位置上，稱作同位素。不久之后，人們從不同的放射性元素中發現了一種鉛，其原子量分別為206.08和208。

1897年，英國物理學家W.湯姆遜發現了電子，并在1912年改進了測量電子的儀器，利用磁場制作了一種磁分離器（質譜儀的前身）。當使用氖氣進行測試時，無論怎樣提純，屏上顯示的卻是兩條拋物線：一條代表質量為20的氖，另一條則代表質量為22的氖。這就是首次發現的穩定同位素，即無放射性的同位素。

隨后，F. W.阿斯頓制成第一臺質譜儀后進一步證明，氖確實具有原子量不同的兩種同位素，并從其他70多種元素中發現了超過200種同位素。截至目前，已確認存在的109種元素中，只有20種未發現穩定的同位素，但所有的元素都存在放射性同位素。

大多數天然元素是由幾種不同原子質量的同位素組成的混合物，其中穩定同位素約有300多種，而放射性同位素則多達1500種以上。