自然界中碳元素有三种同位素，即稳定同位素12C、13C和放射性同位素14C，14C的半衰期为5730年，14C的应用主要有两个方面：一是在考古学中测定生物死亡年代，即放射性测年法；二是以14C标记化合物为示踪剂，探索化学和生命科学中的微观运动。
一、14C测年法自然界中的14C是宇宙射线与大气中的氮通过核反应产生的。碳-14不仅存在于大气中，随着生物体的吸收代谢，经过食物链进入活的动物或人体等一切生物体中。由于碳-14一面在生成，一面又以一定的速率在衰变，致使碳-14在自然界中（包括一切生物体内）的含量与稳定同位素碳-12的含量的相对比值基本保持不变。
当生物体死亡后，新陈代谢停止，由于碳-14的不断衰变减少，因此体内碳-14和碳-12含量的相对比值相应不断减少。通过对生物体出土化石中碳-14和碳-12含量的测定，就可以准确算出生物体死亡（即生存）的年代。例如某一生物体出土化石，经测定含碳量为M克（或碳-12的质量），按自然界碳的各种同位素含量的相对比值可计算出，生物体活着时，体内碳-14的质量应为 m克。但实际测得体内碳-14的质量内只有m克的八分之一，根据半衰期可知生物死亡已有了3个5730年了，即已死亡了一万七千二百九十年了。美国放射化学家W．F．利比因发明了放射性测年代的方法，为考古学做出了杰出贡献而荣获1960年诺贝尔化学奖。
由于碳-14含量极低，而且半衰期很长，所以用碳-14只能准确测出5～6万年以内的出土文物，对于年代更久远的出土文物，如生活在五十万年以前的周口店北京猿人，利用碳-14测年法是无法测定出来的。
二、碳-14标记化合物的应用碳-14标记化合物是指用放射性14C取代化合物中它的稳定同位素碳-12，并以碳-14作为标记的放射性标记化合物。它与未标记的相应化合物具有相同的化学与生物学性质，不同的只是它们带有放射性，可以利用放射性探测技术来追踪。
自20世纪40年代，就开始了碳-14标记化合物的研制、生产和应用。由于碳是构成有机物三大重要元素之一，碳-14半衰期长，β期线能量较低，空气中最大射程 22cm，属于低毒核素，所以碳-14标记化合物产品应用范围广。至80年代，国际上以商品形式出售的碳-14标记化合物，包括了氨基酸、多肽、蛋白质、糖类、核酸类、类脂类、类固醇类及医学研究用的神经药物、受体、维生素和其他药物等，品种已达近千种，约占所有放射性标记化合物的一半。
以碳-14为主的标记化合物在医学上还广泛用于体内、体外的诊断和病理研究。用于体外诊断的竞争放射性分析是本世纪60年代发展起来的微量分析技术。应用这种技术只要取很少量的体液（血液或尿液）在化验室分析后，即可进行疾病诊断。由于竞争放射性分析体外诊断的特异性强，灵敏度高，准确性和精密性好，许多疾病就可能在早期发现，为有效防治疾病提供了条件。
碳-14标记化合物作为灵敏的示踪剂，具有非常广泛的应用前景。
12C是质子数和中子都为6的碳原子，它是碳元素的一种同位素，在世界现存碳元素中丰度为98.89%，是最常见的碳同位素。碳12原子被用来作为阿伏伽德罗常数的标准：12克碳12中所含原子的个数被定义为阿伏伽德罗常数6.022×1023。
碳13是碳的稳定同位素之一，在地球自然界的碳中占约1.109%
