Όλα τα άτομα ενός στοιχείου έχουν τον ίδιο ατομικό αριθμό, δηλαδή τον ίδιο αριθμό πρωτονίων και προφανώς και ηλεκτρονίων. Από το 1912 είναι γνωστό όμως ότι μπορούν να υπάρχουν άτομα ενός στοιχείου με διαφορετικό μαζικό αριθμό, δηλαδή άτομα που στον πυρήνα τους έχουν ίσο αριθμό πρωτονίων αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων. Τα άτομα αυτά ονομάζονται ισότοπα. 

Τα ισότοπα ενός στοιχείου έχουν ίδιες χημικές ιδιότητες καθώς έχουν ίδιο ατομικό αριθμό αλλά έχουν διαφορετικές φυσικές ιδιότητες. Για παράδειγμα, έχουν διαφορετική μάζα και πυκνότητα. Στο γεγονός αυτό οφείλονται και τα δεκαδικά ψηφία στην ατομική μάζα του στοιχείου. Η ατομική μάζα υπολογίζεται από τις επιμέρους μάζες των ισοτόπων επί την αφθονία του καθενός επί τις 100. Όλα τα ισότοπα ενός στοιχείου δεν έχουν την ίδια σταθερότητα. Κάποια είναι πιο ασταθή από άλλα και συνήθως είναι ραδιενεργά. Τα ισότοπα αυτά ονομάζονται ραδιοϊσότοπα. 

Ένα από τα ισότοπα του υδρογόνου ¹Η (Ζ = 1, Α= 1), το δευτέριο, ²D ή ²Η, (Ζ = 1, Α = 2), απαντάται στη φύση σε ποσοστό 0,015% του συνόλου του υδρογόνου. Το δευτέριο είναι χημικά ίδιο με το υδρογόνο, αλλά είναι βαρύτερο επειδή περιέχει ένα πρόσθετο νετρόνιο και σχηματίζει και αυτό χημική ένωση με το οξυγόνο, το βαρύ νερό, με μοριακό τύπο D₂O.Το βαρύ νερό σχηματίζεται όταν αντικαθίστανται δύο άτομα υδρογόνου σε ένα μόριο του νερού, Η₂O, από δύο άτομα δευτερίου. Το βαρύ νερό είναι πιο πυκνό και έχει μεγαλύτερο σημείο βρασμού από το απλό νερό.

Το βαρύ νερό έχει πολλές εφαρμογές και απομονώνεται σε μεγάλες εγκαταστάσεις από το νερό της θάλασσας. Οι επιστήμονες που ασχολούνται με την ιατρική φυσική έχουν επινοήσει μια νέα τεχνική που υπόσχεται να μετρήσει την περιεκτικότητα σε νερό του ανθρώπινου σώματος γρήγορα και ανώδυνα. Μέσα σε δύο ώρες από την κατανάλωση ενός διαλύματος βαρέως ύδατος, η περιεκτικότητα σε νερό του ασθενούς, μπορεί να καθοριστεί από το ποσό του βαρέως ύδατος στην αναπνοή του. Ακόμα, έχει ευρεία χρήση στους πυρηνικούς αντιδραστήρες καθώς χρησιμοποιείται ως επιβραδυντικό μέσο για να μειώσει την ταχύτητα των νετρονίων κατά τη διάρκεια των πυρηνικών αντιδράσεων.

Το υδρογόνο έχει ένα ακόμα ισότοπο το τρίτιο, ³Τ ή ³Η,  (Ζ = 1, Α = 3) το οποίο είναι ραδιενεργό. Στη φύση υπάρχει σε ελάχιστες ποσότητες και παράγεται από την επίδραση της κοσμικής ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα. Το τρίτιο παράγεται και τεχνητά κατά τη διάρκεια πυρηνικών αντιδράσεων.