同位素分析通常是指測定樣品中正在研究的元素的同位素比值。 它是同位素分離、同位素應用和研究不可或缺的組成部分。
質譜分析
它是穩定同位素分析最通用、最準確的方法。 它是將樣品中的分子或原子電離，形成每種同位素相似的離子，然後在電場和磁場的作用下，分離出不同質荷比的離子電流進行檢測。 如果被照相底片檢測到，則稱為質譜儀。 在法拉第杯電極上收集離子電流，用靜電計測量電流，使儀器能夠自動連續接收不同電荷質量比的離子的儀器，這種儀器稱為質譜儀。 這兩種儀器不僅可以用於氣體，還可以用於固體研究。 質譜儀可用於幾乎所有元素的穩定同位素分析。 （參見質譜）。
隨著高解像度質譜技術的發展，可以根據質量數的測定來確定被分析樣品（如標記化合物）的化學式，從而分析物質的組成和結構。 如果在進樣段增加氣相色譜裝置，形成色譜-質譜儀，可以直接分析複雜的混合物樣品。
核磁共振
它是穩定同位素分析的另一種重要方法。 因為構成生物體主要元素的穩定同位素氘、碳-13、氮-15、氧-17、硫-33的核自旋量子數不為零，在外磁場的作用下，這些原子核會像陀螺儀一樣進動，如果此時在磁場的垂直方向上加入射頻電場， 當其頻率與這些原子核的進動頻率相同時，發生共振吸收現象，核自旋取向發生變化，導致從低能級向高能級轉變;當它回到較低的能級時，會釋放出一定量的能量，在核磁共振能譜上產生乙個峰值，這個峰值的位置是原子核型別的象徵。 當磁場強度一定時，根共振處的射頻電場頻率可以檢測有機樣品中不同基團的同位素，含量也可以根據峰高確定，但由於其靈敏度低，一般不用於定量分析。 核磁共振分析和同位素示蹤的結合已成為化學、生物學、醫學等領域的有用工具。 （參見核磁共振波譜）。
光譜學
氫化合物的氘含量可以使用紅外振動光譜中同位素取代引起的光譜線偏移來確定。 原子吸收、發射光譜等可用於氮的同位素分析，甚至可用於鈾-235濃度的中精度測定。 然而，對於大質量的同位素，由於其位移值小，其應用受到限制。 （參見紅外光譜、原子發射光譜法、原子吸收光譜法）。
氣相色譜法
可用於氫、氮、氧等的同位素分析，是一種簡單易行的分析方法。 （參見氣相色譜法）。
密度法
一般用於水中氘的同位素分析，包括比重瓶法、液滴法、浮沉法等。 如果水中的氧18含量與天然含量不同，則必須通過質譜法測量真正的氧18含量，並將其轉換為密度增加，從水的總密度中扣除。
中子活化分析
它也是分析穩定同位素的有效方法（參見中子活化分析）。
分離與應用
大多數元素是其同位素的混合物，將它們彼此分離（或部分分離）是一種特殊的精密同位素分離。 其中，氘和鋰-6是重要的核燃料。 各種純穩定同位素成為核物理和核化學研究的材料。 氫、氮、碳、氧、硫等輕元素的穩定同位素被廣泛用作示蹤原子，用於研究化學和生物化學中的各種過程和機理，以及分子微觀結構與性質的關係等重要問題。