امروزه استفاده از ایزوتوپهای پایدار در علوم زمین شناسی توسعه زیادی داشته است. ایزوتوپهای پایدار برای درک سیر تکاملی شیمیایی و فیزیکی زمین، سیارات و سایر اجرام منظومه شمسی بکار می­ روند. بررسی تغییرات  طبیعی در فراوانی نسبی ایزوتوپهای پایدار به عنوان ابزاری جهت توضیح مکانیسم فرآیندهایی مانند شکل گیری و تکامل زمین (از تولد تا به حال)، تکامل سطح زمین، تکامل شیمی اقیانوس و آب و هوای زمین، فرسایش زمین در اثر هوازدگی بکار می­ رود. علاوه بر این جهت بررسی ترکیب ایزوتوپی گوشته فوقانی زمین و مشخص کردن مخازن گوشته مجزا و فرآیندهای تکاملی آنها بکار می­ روند. ایزوتوپهای پایدار به عنوان یک دماسنج زمین شناسی کاربرد بسیاری در این علم پیدا کرده اند. همچنین می­ توان بعنوان ابزار جهت بررسی سرنوشت آب بارش در زمین، مسیر آب و مدت زمان جریان آب در حوضه مورد استفاده قرار گیرند.