El fraccionamiento de isótopos describe los procesos de fraccionamiento que afectan la abundancia relativa de isótopos, fenómenos que se aprovechan en la geoquímica de isótopos y otros campos.
Normalmente, la atención se centra en los isótopos estables del mismo elemento.
Por ejemplo, los procesos bioquímicos provocan cambios en las proporciones de isótopos de carbono estables incorporados a la biomasa.
Los isótopos estables que se reparten entre dos sustancias A y B pueden expresarse mediante el uso del factor de fraccionamiento isotópico (alfa): αA-B = RA/RB donde R es la relación del isótopo pesado al ligero (por ejemplo, 2H/1H o 18O/16O).
Cuando el vapor de agua se condensa (un fraccionamiento de equilibrio), los isótopos de agua más pesados (18O y 2H) se enriquecen en la fase líquida mientras que los isótopos más ligeros (16O y 1H) tienden hacia la fase de vapor.