同位素按其是否发生衰变而分为放射性同位素和稳定同位素。按其来源又可分为：①环境同位素，主要为天然存在和部分来源于核试验或核工业而普遍分布于环境中；②人工示踪同位素，为人工生产的同位素，常用来投入某一范围的水体中以示踪该水体的运动状况。天然的或人工生产的放射性同位素均具有不同的衰变性质和辐射性质。利用它们的核物理性质通过专门的测试工具，可以探测到用一般常规方法无法探测到的水文现象和过程。20世纪50年代对天然水中稳定同位素的突破性研究，促进了同位素水文学的形成，随后质谱仪的发展和成熟，促使了同位素水文学的应用。

同位素水文循环涵盖地球水圈的水文循环过程，包含水及组成水分子的氢、氧同位素（²H，³H，¹⁷O，¹⁸O等）的循环，以水为载体的溶质同位素循环。从大气到地幔，各有不同类型的同位素，用在水文同位素技术中的主要分为三组，即水同位素、宇宙成因和人为成因核素、地壳性成因核素。

水文同位素技术主要通过人工同位素示踪技术和同位素测年技术回答降水去了哪里，水是通过何种路径到达河流，水在集水区里能停留多长时间等问题。水文同位素技术发展迅速，有两个重要的应用方向：①从时间上，主要是对水体贮存、运移时间变化的评估，如水体滞留时间的估算，补给运移时间的定量计算；②在空间上，主要是流域水文过程的评估，如径流来源的定量研究、对河流—地下水系统补给—排泄范围的空间定性描述和转化量的定量计算。同位素水文学已经形成水文学的分支学科，大气降水、地表水、地下水同位素特征和组成分析，地下水定年，地下水补给识别、地下水污染识别，地热水分布与地温确定，古气候变化研究，淡水生态系统有机源的示踪，土壤侵蚀，水文测验等诸方面为人们提供了对水文循环新的认识。