Các hạt nhân phóng xạ được sử dụng theo hai cách chính: hoặc cho riêng bức xạ của chúng (chiếu xạ, pin hạt nhân) hoặc cho sự kết hợp các tính chất hóa học và bức xạ của chúng (tracers, dược phẩm sinh học).

• Trong sinh học, các hạt nhân phóng xạ của carbon có thể đóng vai trò là các chất phóng xạ vì chúng rất giống với các hạt nhân không hoạt động, vì vậy hầu hết các quá trình hóa học, sinh học và sinh thái xử lý chúng theo cách gần giống nhau. Sau đó, người ta có thể kiểm tra kết quả bằng máy dò phóng xạ, chẳng hạn như bộ đếm Geiger, để xác định nơi các nguyên tử được cung cấp được kết hợp. Ví dụ, người ta có thể nuôi cây trong một môi trường trong đó carbon dioxide chứa carbon phóng xạ; sau đó các bộ phận của nhà máy kết hợp carbon trong khí quyển sẽ bị nhiễm phóng xạ. Các hạt nhân phóng xạ có thể được sử dụng để theo dõi các quá trình như sao chép DNA hoặc axit aminvận chuyển.
• Trong y học hạt nhân, đồng vị phóng xạ được sử dụng để chẩn đoán, điều trị và nghiên cứu. Các chất hóa học phóng xạ phát ra tia gamma hoặc positron có thể cung cấp thông tin chẩn đoán về giải phẫu bên trong và hoạt động của các cơ quan cụ thể, bao gồm cả não người. [9] [10] [11] Điều này được sử dụng trong một số hình thức chụp cắt lớp: Chụp cắt lớp phát xạ đơn photon và chụp cắt lớp phát xạ positron (PET) và chụp ảnh phát quang Cherenkov. Đồng vị phóng xạ cũng là một phương pháp điều trị trong các dạng khối u tạo máu; sự thành công trong điều trị khối u rắn đã bị hạn chế. Nguồn gamma mạnh hơn khử trùng ống tiêm và các thiết bị y tế khác.
• Trong bảo quản thực phẩm, bức xạ được sử dụng để ngăn chặn sự nảy mầm của cây trồng sau khi thu hoạch, để tiêu diệt ký sinh trùng và sâu bệnh, và để kiểm soát sự chín của trái cây và rau quả được lưu trữ.
• Trong công nghiệp và trong khai thác, các hạt nhân phóng xạ được sử dụng để kiểm tra các mối hàn, phát hiện rò rỉ, nghiên cứu tốc độ hao mòn, ăn mòn và ăn mòn kim loại và phân tích trực tuyến một loạt các khoáng chất và nhiên liệu.
• Trong tàu vũ trụ và các nơi khác, các hạt nhân phóng xạ được sử dụng để cung cấp năng lượng và nhiệt, đặc biệt là thông qua các máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ(RTGs).
• Trong thiên văn học và vũ trụ học, các hạt nhân phóng xạ đóng một vai trò trong việc tìm hiểu quá trình sao và hành tinh.
• Trong vật lý hạt, các hạt nhân phóng xạ giúp khám phá vật lý mới (vật lý ngoài Mô hình chuẩn) bằng cách đo năng lượng và động lượng của các sản phẩm phân rã beta của chúng. [12]
• Trong sinh thái học, các hạt nhân phóng xạ được sử dụng để theo dõi và phân tích các chất ô nhiễm, để nghiên cứu sự chuyển động của nước mặt và để đo dòng chảy của nước từ mưa và tuyết, cũng như tốc độ dòng chảy của sông suối.
• Trong địa chất, khảo cổ học và cổ sinh vật học, các hạt nhân phóng xạ tự nhiên được sử dụng để đo tuổi của đá, khoáng chất và vật liệu hóa thạch.