氢氧同位素示踪法已广泛应用于水文、土壤等学科的研究。氢氧同位素示踪技术具有较高的灵敏性和准确性，在降水来源、径流分割、渗入过程、坡地尺度等具体研究目标上具有优势。

20世纪20年代起，相关学者就发现了氢氧同位素的存在，并在海水、淡水和积雪中都观测到了氢氧稳定性同位素值的不同。到20世纪50年代对天然水中的稳定性同位素研究有了一系列的突破，发现了降水同位素中的雨量效应、纬度效应、温度效应以及大陆效应等。1961年，国际原子能机构（IAEA）和世界气象组织（WMO）着手组建全球降水同位素站网（GNIP），该事件标志着氢氧同位素示踪获得了国际关注并取得了应用。在水文和土壤等学科的研究中，氢氧同位素示踪法具有不可替代的作用。

自然界中存在三种氢的同位素（¹H、²H、³H），在水中的丰度相应为99.984%、0.016%和0～10^-15%，彼此间相对质量相差大（100%），因而同位素分馏特别明显，地球上的氢同位素分馏范围达700%；氧也有三种稳定性同位素（¹⁶O、¹⁷O、¹⁸O），在水中的丰度相应为99.76%、0.04%和0.20%，彼此间的质量差较大，分馏效应较明显，分馏范围达100%。因此，普通水分子存在9种不同的同位素组合，即H₂¹⁶O（分子量18）、H₂¹⁷O（分子量19）、H₂¹⁸O（分子量20）、HD¹⁶O（分子量19）、HD¹⁷O（分子量20）、HD¹⁸O（分子量21）、D₂¹⁶O（分子量20）、D₂¹⁷O（分子量21）、D₂¹⁸O（分子量22）。由于各种同位素水分子的蒸气压与相对分子质量成反比，因而H₂¹⁶O的蒸气压显著高于D₂¹⁸O，这样蒸发的液体水生成的水蒸气富集H和¹⁶O，残余水则富集D和¹⁸O。在水分循环过程中导致了氢、氧稳定性同位素的分馏，而氢氧稳定性同位素的分馏使水在不同的水循环过程中具有了不同的同位素值，基于这一特性，使得氢氧稳定性同位素成为水循环过程的天然示踪剂。氢氧稳定性同位素组成的主要测定技术是质谱法（质谱仪）和激光法（激光稳定同位素分析仪）。质谱仪利用电磁学原理使带电离子按照质合比进行分离，从而测定样品质量或含量；激光稳定同位素分析仪则通过测量不同波长光谱的吸收，得到绝对²HHO、HH¹⁸O和HHO分子浓度。

利用稳定性氢氧同位素研究水分来源。由于不同来源的水分有着不同的氢氧同位素组成，因此可利用其同位素含量的差异研究水分的来源。

土壤水的稳定性同位素组成可以揭示土壤水运动的一系列信息，包括入渗、蒸发、蒸腾等，这些信息用其他的研究方法很难得到。由于降水的同位素组成随季节不同而变化，时间序列上的降水和土壤水的同位素组成提供了土壤水混合以及滞留时间的信息，通过这些信息能分析出相对精确的土壤水分运移情况。

植物体中的氢和氧元素在很大程度上是依赖于水，特别是氢几乎全部来源于水。氢氧同位素示踪技术的出现可以更好地分析植物与水分之间的关系。如研究植物对水分的胁迫，植物不同时间尺度内的水分利用效率、植物水分来源、生态系统蒸发蒸腾等。