同位素示踪所利用的放射性核素（或稳定性核素）及它们的化合物，与自然界存在的相应普通元素及其化合物之间的化学性质和生物学性质是相同的，只是具有不同的核物理性质。因此，就可以用同位素作为一种标记，制成含有同位素的标记化合物（如标记食物，药物和代谢物质等）代替相应的非标记化合物。利用放射性同位素不断地放出特征射线的核物理性质，就可以用核探测器随时追踪它在体内或体外的位置、数量及其转变等，稳定性同位素虽然不释放射线，但可以利用它与普通相应同位素的质量之差，通过质谱仪，气相层析仪，核磁共振等质量分析仪器来测定。放射性同位素和稳定性同位素都可作为示踪剂（tracer），但是，稳定性同位素作为示踪剂其灵敏度较低，可获得的种类少，价格较昂贵，其应用范围受到限制；而用放射性同位素作为示踪剂不仅灵敏度，测量方法简便易行，能准确地定量，准确地定位及符合所研究对象的生理条件等特点： 在工业生产中，示踪原子为使用多种高效能的检验方法及生产过程自动控制的方法提供了可能性，解决了不少技术上和理论上的问题。下面列举几种主要应用。 确定扩散速度 金属间扩散的速度随温度而变。如用电镀的方法将Ag、 Cu或 Zn沉积在另一种金属片的表面上,在特定温度中处理一定时间后,再从该金属片依序切下许多薄层，用探测仪器或放射自显影法测定每层的放射性，便可确定银、铜或锌在上述金属片内扩散的速度，以及温度对各种金属穿透深度的影响。
测定机械磨损 用中子照射使易磨损部位的材料活化，通过测定磨下的碎屑的放射性，即可测定磨损量。
测定流体流速 某一时刻在流管上端某处注入少量示踪剂，在流管下端另一处测定示踪剂的到达时间，再根据两处的距离即可测定流体的流速。如测定石油在输油管中的流速等。
合金结构分析 在一定比例的镍、铬、钨混合物中，加入少量放射性W,经熔炼后，将合金表面磨光，上面覆盖底片，进行放射自显影。所得图谱显示，钨在合金中分布成树枝状的斑纹。用这种方法，可以研究金属在不同冶炼过程中（或合金在热处理前后）的结构变化。 在物理、化学等自然科学和日益受到重视的环境科学中，示踪方法也得到广泛应用。下面是一些主要的应用例子。 超薄厚度的测定 例如在用暗视野检查的电子显微镜标本上，常用真空蒸发的方法涂一层镉的薄膜。加微量具有放射性的Cr到镉中,测定一定面积薄膜的放射性。另外把含有不同重量的同一标记物的溶液在相同面积上蒸干并计数，作为标准。比较薄膜样品和标准的放射性，就可测出薄膜的重量，从而求出其厚度。此法可测出厚度薄至2.5×10m的量级。
溶解度的测定 把已知放射性比活度(见放射性)的Ba标记的硫酸钡溶于水中；当溶液达到饱和以后，取出一小部分来测量其放射性比活度。从测得的放射性比活度，就可算出单位体积内硫酸钡的含量或硫酸钡的溶解度。
化学反应的历程 例如在酯类的水解过程中，究竟是酰基-氧键(a)断裂，还是烷基-氧键(b)断裂呢，用含有的氢氧化钠水溶液进行皂化后发现,标记原子进入到水后生成酸分子，而不进入到醇分子中去。这充分证明了,反应中被打开的是酰基-氧键,即是在a处断开的。
环境污染的检查 例如在制造荧光灯等接触汞的工业，需要探测空气中汞的浓度，以保证工人不会发生汞中毒。很方便的方法，就是用Hg来标记汞，然后用探测仪器测量车间空气中的放射性，检查汞有否超过最高允许浓度。
放射性核素也可用作监测沿海污染的手段。例如，以Br标记的溴化铵作为示踪剂,模拟释放到海洋中去的污水。将此示踪剂被注入到污水出口处，它的扩散和途径,反映了污水在大海中的稀释和运输。在不同水路测出的放射性位置及强度，代表特定情况下的水流图案。最后，依靠稀释曲线、水流方向及速度以及污染指示剂的消失率等数据，编成海岸不同位置的污染统计资料。
水利学考察 海洋湍流和大风对水流泥沙迁徙的影响是水利学工作经常需要考察的对象之一。有一种方法是将 Sc吸附在离子交换树脂，其大小接近于天然砂粒，然后将其投入河口或海岸附近水中，用放射性探测仪器追踪，便可研究各种自然条件的变化（如刮风）对砂流的影响，乃至泥砂淤积的地点和速度等。
放射性碳纪年法 见碳－14测定年代。
什么是同位素示踪法