穩定性同位素不具有放射性，無論在分離、標記化合物合成及應用過程中均無特殊防護要求，操作簡便、使用安全、無毒性，可直接用于動物及人體的營養學、臨床醫學研究及生物醫學、藥物研發、營養代謝等等諸多領域。
生命科學領域，核磁共振（NMR）和質譜（MS）波譜研究不同蛋白質種群的結構、功能等需要穩定性同位素整合技術，其中包括同位素編碼親和標記方法（ICATTM）、細胞培養中氨基酸穩定同位素標記技術（SILAC）、目標蛋白的絕對定量分析方法（AQUATM）等。穩定性同位素通過生物代謝引入、酶解引入或化學性引入到蛋白質等生物大分子中，通過大型儀器分析后選用分子生物學軟件處理可以得到生物大分子的結構圖。
在醫學領域，穩定性同位素產品目前已廣泛應用于醫學領域的臨床研究、多種疾病的診斷與鑒別、病情判斷、治療效果評價、臟器功能研究和新藥開發等方面，如PET診斷、13C-尿素呼氣法檢測幽門螺旋桿菌、腫瘤治療（硼中子捕獲療法）、藥物研究等。
在環境科學研究中，在不同的環境條件下，穩定性同位素的組成會有一定的差異，氮同位素就是一種很好的污染物指示劑。在生態系統污染的監測中，測定的15N值還可以作為水域環境污染程度指標。通過使用穩定性同位素技術，可以使生態學家測出許多隨時空變化的生態過程，同時又不會對生態系統的自然狀態和元素的性質造成干擾。穩定性同位素15N能夠被用來測定植物通過氮固定或吸收土壤NH4+及NO3-獲得氮素相對比率；確定土壤中碳和氮周轉速率；判定N2O的來源（硝化細菌或反硝化細菌）；確定食物鏈的長度；確定空氣和水體污染物的來源；如何確定植物的分布區域等。
能量代謝研究集中在運動醫學、兒童營養、食物營養以及減肥、宇航員飲食等方面。采用穩定性同位素示蹤法是研究新陳代謝的方法之一，常用穩定同位素有15N、13C、18O等標記。
糖脂代謝研究，糖尿病是一種以糖代謝失常為主的內分泌代謝性疾病，通常表現為整體的代謝紊亂(包括糖、脂、氨基酸代謝紊亂等)，因此，非常適合應用穩定同位素示蹤技術來弄清代謝物質的來龍去脈[8]。該技術的特點是測試的高精度和超高精度, 可達到接近PPM級（百萬分之一）,它不但能追蹤化合物的整個分子，還能追蹤其某個原子，比如葡萄糖分子各個原子的不同代謝途徑, 哪些原子進入了三羧酸循環產生能量，而哪些原子用于脂肪酸的合成等。早在上世紀70年代，Bier等[9]就在動物和成人中使用13C和2H標記的穩定性同位素（雙標記法）通過GC/MS監測體內葡萄糖和丙氨酸的代謝。近期有學者[12]用 U-13C標記葡萄糖，采用核磁共振技術，發現長期血糖控制不良的1型糖尿病和持續應用胰島素泵血糖控制尚平穩的1型糖尿病患者對比，持續皮下胰島素治療可以明顯減少肝臟內源性葡萄糖產生，改善糖異生作用，提示長期血糖控制不良的T1DM肝糖代謝并非不可逆。
穩定性同位素還可以追蹤不同階段脂質合成、脂肪分解、脂肪酸氧化的變化。在肥胖伴有2型糖尿病患者與單純肥胖患者的比較中發現，前者胰島素抑制脂肪分解作用明顯受損[13]。McQuaid等[14]用U-13C標記棕櫚酸、亞麻油酸、油酸示蹤，在腹型肥胖和體型偏瘦的正常人中比較發現，肥胖患者脂肪組織量增多，而其脂肪組織儲存脂肪的能力則明顯下降。從而進一步導致血漿FFA水平明顯增加和異位脂肪沉積。目前認為腹部脂肪堆積引起局部性糖皮質激素增多進一步加重脂毒性和胰島素抵抗。Basu等[15]在正常人中肝靜脈中注射[9,11,12,12-2H4]氫化可的松(D4-氫化可的松)，可的松通過11β羥類固醇脫氫酶1型途徑生成氫化可的松，發現內臟氫化可的松的產生和身體其余部分產生量基本相當。然而肥胖患者（不管是否伴有2型糖尿病）其內臟氫化可的松產生量明顯增加[16]。
在農業科研領域，穩定性同位素15N、13C廣泛應用于植物生理生化研究、土壤與植物營養研究、植物保護研究、水稻、花卉、農產品等作物的改良研究、草地的氮素循環研究等方面。在農業上應用的穩定性同位素產品大部分為低豐度產品。低豐度的15N標記尿素、15N標記硫酸銨、15N標記硝酸銨、15N標記氯化銨等無機鹽類是比較常用的肥料示蹤劑。
在分析測試領域，食品、農藥殘留、興奮劑、海洛因的檢測中，穩定性同位素技術具有獨特的作用。
在地質學、地球化學、古生物學、生態學等研究中也有著廣泛的應用。穩定同位素標記化合物還可作為NMR和質譜儀等分析檢測方法的內標物等。
