自然界中的氢以氕、氘、氚三种同位素的形式存在。

天然物质的氢同位素组成由D/H比值确定的δ（D）表示，以标准平均海洋水（SMOW）作为标准品。在地球科学中氢同位素通常与氧同位素或碳同位素配合，研究大气降水的成岩成矿作用及石油与天然气的成因。可用于热核反应和标记化合物等。