Jedro vsakega elementarnega atoma vsebuje protone, nevtrone in elektrone. Čeprav ima vsak element običajno enako število protonov in elektronov, se število nevtronov lahko razlikuje. Ko imajo atomi enega samega elementa, kot je ogljik, različno število nevtronov in s tem različne atomske mase, jih imajo se imenujejo "izotopi". Tako kot mnogi drugi elementi ima tudi ogljik en zelo pogost izotop in nekaj drugih, ki so povsem enaki redko.
Ogljik-12
Najpogostejši izotop ogljika je ogljik-12. Njegovo ime pomeni, da njegovo jedro vsebuje šest protonov in šest nevtronov, skupaj 12. Na Zemlji ogljik-12 predstavlja skoraj 99 odstotkov naravnega ogljika. Znanstveniki uporabljajo atomske masne enote ali amu za merjenje mase elementov. Carbon-12 ima točno 12.000. Ta številka je referenčni standard za merjenje atomske mase vseh drugih izotopov.
Drugi izotopi
Druga dva naravno prisotna izotopa ogljika sta ogljik-13, ki obsega približno 1 odstotek vseh ogljikovih izotopov in ogljik-14, ki predstavlja približno dve bilijonti naravnega izvora ogljik. "13" v ogljiku-13 pomeni, da jedro izotopa vsebuje sedem nevtronov namesto šestih. Ogljik-14 seveda vsebuje osem nevtronov. Znanstveniki so ustvarili tudi umetne izotope ogljika v razponu od ogljika-8 do ogljika-22, vendar je praktična uporaba teh nestabilnih izotopov omejena.
Ogljik-13
Živi organizmi imajo prednost do ogljika-12 pred ogljikom-13 in zato absorbirajo nesorazmerno visoke ravni ogljika-12. Tako lahko znanstveniki preučijo razmerje med ogljikom-13 in ogljikom-12 v ledenih jedrih in drevesnih obročih, da ocenijo pretekle koncentracije ogljikovega dioksida v atmosferi. Podobno lahko klimatologi sledijo temu razmerju v morski vodi, da bi preučili stopnje absorpcije ogljikovega dioksida v oceanu.
Ogljik-14
Za razliko od ogljika-12 in ogljika-13 je ogljik-14 radioaktiven. Sčasoma radioaktivni izotopi propadajo in sproščajo določeno količino sevanja. Vsak živ organizem vnese ogljikov dioksid, ki vključuje majhno količino ogljika-14. Ko organizem umre, ogljik-14 v njegovem telesu postopoma propada. Ker znanstveniki poznajo hitrost razpada ogljika-14, lahko preučijo ravni ogljika-14 v starodavnih organizmih, da ocenijo, kdaj so živeli. Ta tehnika se imenuje datiranje z ogljikom.