自然界中碳以12C、13C、14C等多種同位素的形式存在。
12C、13C天然豐度分別為98.89%、1.11%；14C只有極微量且具放射性，半衰期為5730年。其他同位素由人工核反應獲得，均有放射性。
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天然物質的碳同位素組成由13C/12C比值確定的δ(13C)表示，以美國南卡羅萊納州白堊系Pee Dee組擬箭石化石(簡稱PDB)作為標準品。
20世紀50年代以來，濃縮和分析技術的突破，利用13C同位素的質量和磁性的同位素效應提供的信息，已廣泛用於有機化學反應機理、有機物結構、天然產品生物合成及結構分析研究，酶促反應機理；農肥、農藥機理、植物生理、臨床診斷、病理試驗、藥理作用及藥物代謝的研究和應用。
在地球科學中碳14廣泛應用於成巖作用、成礦作用、古海洋、石油天然氣成因研究。