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La composition isotopique d'un échantillon indique les proportions des divers isotopes d'un élément chimique particulier (ou de plusieurs éléments) dans cet échantillon.
Les noyaux de tous les atomes d'un même élément chimique comportent le même nombre de protons (ce nombre est aussi celui des électrons présents dans le cortège électronique qui enveloppe le noyau de l'atome neutre) mais peuvent comporter différents nombres de neutrons. Les atomes qui ne diffèrent que par le nombre de neutrons sont des isotopes d'un même élément chimique.
Tous les atomes de carbone comportent 6 protons et 6 électrons. Cependant, tous les atomes de carbone ne sont pas identiques : certains ont un noyau comportant 6 neutrons tandis que pour d'autres le noyau comprend 7 ou 8 neutrons. Ces atomes de carbone qui n'ont pas le même nombre de masse (c'est-à-dire le nombre de nucléons : protons et neutrons) sont dits des isotopes. Les atomes de carbone 12 et de carbone 13 (6 protons et 6 ou 7 neutrons) sont stables, tandis que les atomes de carbone 14 (6 protons et 8 neutrons) sont radioactifs.
La composition isotopique peut varier d'un échantillon à l'autre en fonction de l'origine ou de l'évolution de ces échantillons.
La variabilité des compositions isotopiques est à l'origine d'un grand nombre d'applications :
La composition isotopique peut être exprimée sous la forme des pourcentages des différents isotopes, mais cette représentation n'est guère utilisée que pour des présentations générales (par exemple, la composition isotopique moyenne de l'air).
Pour des applications quantitatives, la composition isotopique est généralement représentée par des rapports isotopiques (en mettant au dénominateur, sauf exception, l'isotope le plus abondant ou le moins variable), pour plusieurs raisons :
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