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各元素原子の核には、陽子、中性子、電子が含まれています。通常、各要素には同じ数の陽子と電子がありますが、中性子の数はさまざまです。炭素のような単一元素の原子の中性子数が異なるため、原子質量が異なる場合、それらは「同位体」と呼ばれます。他の多くの元素と同様に、炭素には非常に一般的な同位体と非常にまれないくつかの同位体があります。
炭素-12
最も一般的な炭素同位体は炭素-12です。その名前は、その核に合計12個の6個の陽子と6個の中性子が含まれていることを意味します。地球上では、炭素12は天然に存在する炭素のほぼ99％を占めています。科学者は原子質量単位（amu）を使用して元素の質量を測定します。 Carbon-12のAMUは正確に12.000です。この番号は、他のすべての同位体の原子質量を測定するための参照標準です。
その他の同位体
他の2つの天然炭素同位体は、すべての炭素同位体の約1％を占める炭素13と、天然炭素の約2兆分の1を占める炭素14です。炭素-13の「13」は、同位体の核に6個ではなく7個の中性子が含まれていることを示しています。もちろん、炭素14には8個の中性子が含まれています。科学者は、炭素8から炭素22の範囲の人工炭素同位体も作成しましたが、これらの不安定な同位体の実用的な用途は限られています。
炭素-13
生物は、炭素-13よりも炭素-12を好むため、不均衡に高いレベルの炭素-12を吸収します。したがって、科学者は、氷のコアと年輪の炭素-13と炭素-12の比率を研究して、大気中の二酸化炭素の過去の濃度を推定することができます。同様に、気候学者は海水中のこの比率を追跡して、二酸化炭素の海洋吸収率を調べることができます。
炭素-14
炭素12や炭素13とは異なり、炭素14は放射性です。時間の経過とともに、放射性同位体は崩壊し、一定量の放射線を放出します。すべての生物は二酸化炭素を摂取しますが、これには少量の炭素-14が含まれています。生物が死んだ後、体内の炭素-14は徐々に崩壊します。科学者は炭素14が崩壊する速度を知っているので、彼らは古代生物の炭素14レベルを調べて、いつ生きたかを推定することができます。この手法は、炭素年代測定と呼ばれます。