Lưu huỳnh có 18 đồng vị, trong đó 4 đồng vị ổn định: S32 (95,02%), S33 (0,75%), S34 (4,21%) và S36 (0,02%). Các đồng vị khác và S35 là các đồng vị phóng xạ và có chu kỳ bán rã ngắn. S35 được tạo ra từ sự bắn phá của các tia vũ trụ với Ar40 trong khí quyển Trái Đất. Nó có chu kỳ bán rã là 87 ngày.

Khi các khoáng chất sulfua theo nước mưa xuống đất thì cân bằng đồng vị giữa các thể rắn và các thể lỏng có thể sinh ra sự sai biệt nhỏ trong các giá trị của dS34 của các khoáng chất cùng nguồn gốc. Sự khác biệt trong các khoáng chất có thể sử dụng để ước tính nhiệt độ của cân bằng. dC13 và dS34 của các cacbonat cùng tồn tại và các sulfua có thể sử dụng để xác định pH và độ khó giữ ôxy của các chất lỏng mang theo quặng trong quá trình hình thành quặng.

Trong phần lớn các hệ sinh thái rừng, sulfat chủ yếu thu được từ khí quyển hay sự phong hóa của các quặng khoáng sản và các chất đã thoát hơi nước cũng cung cấp một lượng lưu huỳnh nhỏ. Lưu huỳnh với thành phần đồng vị đặc biệt được sử dụng để xác định các nguồn ô nhiễm, và lưu huỳnh được làm giàu được thêm vào dưới dạng dấu vết trong các nghiên cứu thủy học. Các khác biệt trong độ phổ biến tự nhiên cũng được sử dụng trong các hệ thống mà trong đó có các biến đổi đủ lớn của S34 trong thành phần của hệ sinh thái.