反应机理有分子解离、分子缔合和分子可逆性重排。分子解离是指在反应体系中，参加反应的两种化合物均能进行可逆性解离，生成同一元素的两种同位素的同种粒子，因而可以互相交换。分子缔合是指同一元素的两种化合物能够合成过渡状态的中间体，从而使该元素的两种同位素发生互相交换。有一些分子在一定的条件下发生可逆性分子的重新排列，也可能发生同位素交换，即为可逆性重排。同位素交换反应系可逆反应，反应的速度与反应条件有关，加热、加压或加催化剂等可使反应速度加快，溶剂的性质、pH和反应物的浓度等对反应速率也有一定的影响。只有在特定条件下获得的放射性核素标记化合物，才能在常温常压下稳定存在。

同位素交换标记法常用于制备氚标记化合物和放射性卤素标记化合物。20世纪80年代初，国际市场上许多品种的氚标记化合物采用此法制得。该法也有利于¹²⁵I、³⁵S的标记。同位素交换法操作简便，适宜于对天然化合物或结构复杂的药物的标记，其缺点是放射性核素的利用率低，标记位置常常不可预知，比活度低，产品纯化困难等。