因为很少量的放射性物质就可以很容易被检测出，所以放射性同位素广泛地作为示踪原子应用于跟踪化学反应。卡尔文(Calvin，C.M)等用含有放射性同位素的二氧化碳来研究光合作用中碳的动态。这称为示踪方法。有些元素不能得到放射性同位素，也可用稳定同位素作为示踪，这样就要用质谱仪来分析其产物。例如(稳定同位素)作为示踪原子，可以证明当酯生成时，酸的碳-氧键断裂：

    天然存在的放射性同位素具有一定的半衰期，可以作为统一时间的校准“钟”，用来确定地球历史的经历。半衰期最长的同位素，特别是天然放射系的母体，可以提供关于地球的年龄和岩石和陨星的年龄的信息。例如可以从与的比值来计算岩石的年龄。

    这种方法可用来计算地球形成的年龄和最老陨石的年龄，其结果基本是一样的，为4.5～4.6×10⁹年。最老的地球岩石年龄大约是3×10⁹年。利用阿波罗卫星取回的月岩的年龄稍大一点，为3.1-4.1×10⁹年。月球土壤的年龄为4.6×10⁹年。
    放射性另一有趣的应用是通过测定的含量，确定含碳物质的年龄。天然存在的碳大约是98.89％的和 1.11％的，这决定于其来源。碳还含有很少量的同位素，具有放射性：

    显然是大气上层从宇宙射线来的中子与氮的反应的产物：

    在大气中碳氧化为二氧化碳后(含有放射性和非放射性的碳)，被植物吸收，动物以植物为食物，这样进入到动物的组织中。通过的吸收和放射性的自然平衡，活的有机体内的与的恒态比达到与大气中的比相等，也就是相应于每克碳每分钟进行15.3次衰变。当动物或植物死亡，碳的吸收停止，放射性碳的含量由于衰变开始逐渐减少；在5720年以后，放射性碳减少到原来的一半，这样通过测定木材、纸、纤维、化石等样品中碳的衰变速度，就可能确定有机体死亡的时间。这种方法称为放射性碳确定时代方法(radiocarbon dating method)。
    中子活化分析应用在现代检测空气的污染方面。当分析样品中某一元素时，将样品用中子源照射，被分析的元素的原子核俘获中子，直到形成不稳定的核而放射γ射线。因为γ射线的波长是元素的特性，故能在样品中区别其它元素。这种分析方法的优点是非破坏性的，经过照射的样品，几乎不损耗。中子活化是灵敏的分析技术之一。例如可以检测出10^-12g砷，这比通常用的马许实验灵敏10000倍。
    放射性物质和粒子加速器的高能辐射对生物有重要的影响。大剂量的辐射能导致严重疾病，甚至死亡。低水平的辐射也能产生遗传方面的危害。在控制条件下，高能辐射也会得到有益的结果，并广泛应用于医学。如X射线应用于肺结核病、骨折和牙科疾病的诊断是大家数悉的。现在用放射性同位素于脑瘤的造影。放射性同位素最早应用之一是用在治疗癌症，用以破坏有害的细胞。近年用改善了癌症的治疗。各种生理过程如血液流动、氧的利用和甲状腺的活性都可以利用放射性同位素进行研究。