Isotoopgeoloogia on geoloogia haru, mis põhineb radioaktiivsete ning stabiilsete isotoopide kasutamisest saadaval andmestikul.
Radioaktiivseid isotoope kasutatakse põhiliselt dateerimisel. Ilmselt tuntuim on radioaktiivse süsiniku meetod, millega dateeritakse viimase 50 000 aasta jooksul toimunud sündmusi. Et geoloogiline aeg hõlmab palju pikemat ajavahemikku, kasutatakse ka teisi isotoope, mille poolestusaeg on palju pikem.
Samuti kasutatakse isotoope näiteks hüdrogeoloogias, paleoklimatoloogias ja mujal. Hüdrogeoloogias näiteks uuritakse, kas põhjavesi sisaldab triitiumi. Kui sisaldab, siis on selge, et vastav põhjaveehorisont sisaldab vett, mis sadas atmosfäärist vihmana 20. sajandi teises pooles, sest triitium sattus atmosfääri läbi atmosfääris läbi viidud tuumakatsetuste.
Paleoklimatoloogias näiteks saab kasutada stabiilsete isotoopide fraktsioneerumist. Näiteks 18O ja 16O on hapniku stabiilsed isotoobid, mis sisalduvad vees. Et 18O on raskem, on tema kontsentratsioon atmosfääris olevas veeaurus madalam kui merevees, sest kergem isotoop aurustub mereveest kergemini. Seetõttu on ka liustikud rikastunud just kerge hapniku suhtes. Sellest järeldub, et jääaegadel, kui kliima oli külmem ning liustikud laiemalt levinud, pidi ookeanivesi olema raskemate hapnikuaatomite suhtes kontsentreeritum kui jäävaheajal. Jääb vaid uurida näiteks merepõhja ladestunud foraminifeeride kodade isotoopset koostist ja teha sellest järeldusi paleokliima kohta.