在自然界中碳（C）有三种同位素，分别是¹²C、¹³C、¹⁴C（C左上角的数字等于碳原子的质子数6与中子数之和），其中以¹²C为主，相对丰度（指自然界中存在的某元素的各种同位素的相对含量）为98.89%，¹³C占1.11%，¹⁴C是宇宙成因放射性核素，含量极低。

大气中的二氧化碳（CO₂）相对富集¹³C，而植物通过光合作用合成的有机化合物富集¹²C，植物在吸收同化CO₂的过程中发生了同位素分馏。植物碳同位素分馏主要包括两个步骤：①大气CO₂穿过细胞壁进入叶绿体的扩散作用过程中，植物优先吸收¹²CO₂。②在核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase，常简写为Rubisco）的作用下，溶解CO₂发生羧化反应时，¹²CO₂优先被固定在初级光合作用产物如磷酸甘油酸（PGA）中。

大气CO₂的碳同位素组成、气候条件（温度、湿度、光照条件、大气压力）以及土壤盐分与营养元素等外界环境因素，均是碳同位素分馏作用的影响因子。比如，植物在很大程度上依赖于生长时期的大气CO₂的碳同位素组成，植物碳同位素δ¹³C值（表征碳同位素分馏作用，反映碳稳定同位素组成的指标）随林冠层中大气CO₂同位素变轻而降低；低的土壤含水量、低的空气湿度以及降水量不足都会引起植物碳同位素δ¹³C值的增大；在弱光条件下，植物碳同位素δ¹³C值较低，随着光照的增强，δ¹³C值逐步增大。因此，通过利用植物δ¹³C研究碳同位素分馏，可以了解环境和气候的变化。