自然界中氧以16O、17O、18O三种同位素的形式存在，相对丰度分别为99.756%、0.039%、0.205%，天然物质的氧同位素组成通常用由18O/16O比值确定的δ(18O)来描述，一般采用标准平均海洋水(SMOW)作为标准品。

氧同位素在地球科学中广泛用于确定成岩成矿物质来源及成岩成矿温度。在生物学和医学上有广泛应用前景。

氧同位素在地理学中被用作年代确定的参考，常用于冰川的断代。