Gadolini trong tự nhiên là hỗn hợp của 5 đồng vị ổn định, bao gồm Gd154, Gd155, Gd156, Gd157 và Gd158, và 2 đồng vị phóng xạ là Gd152 và Gd160, với Gd158 là phổ biến nhất (24,84% độ phổ biến tự nhiên).

Ba mươi (30) đồng vị phóng xạ đã được nêu đặc trưng, với ổn định nhất là Gd160 có chu kỳ bán rã trên 1,3×1021 năm (sự phân rã vẫn chưa được quan sát - chỉ có giới hạn dưới của chu kỳ bán rã là đã biết), phân rã alpha Gd152 với chu kỳ bán rã 1,08×1014 năm, và Gd150 với chu kỳ bán rã 1,79×106 năm. Tất cả các đồng vị còn lại là phóng xạ, với chu kỳ bán rã nhỏ hơn 74,7 năm. Phần lớn trong số này có chu kỳ bán rã nhỏ hơn 24,6 giây. Các đồng vị của gadolini có 4 trạng thái giả ổn định (đồng phân hạt nhân), với ổn định nhất là Gd143m (t½ 110 giây), Gd145m (t½ 85 giây) và Gd141m (t½ 24,5 giây).

Phương thức phân rã chủ yếu của các đồng vị trước đồng vị ổn định phổ biến nhất (Gd158) là bắt điện tử, còn phương thức phân rã chủ yếu của các đồng vị sau đồng vị ổn định phổ biến nhất là phân rã beta. Sản phẩm phân rã chủ yếu của các đồng vị trước đồng vị ổn định phổ biến nhất là các đồng vị của Eu) còn sản phẩm phân rã chủ yếu của các đồng vị sau đồng vị ổn định phổ biến nhất là các đồng vị của Tb.

Gadolini-153 có chu kỳ bán rã 240,4 ±10 ngày và bức xạ tia gama với các đỉnh mạnh tại 41 keV và 102 keV. Nó được sử dụng như là nguồn tia gama trong phép đo hấp thụ tia X hay đo đạc mật độ xương cho chiếu chụp chứng loãng xương và trong hệ thống chiếu chụp tia X Lixiscope có thể di động.