Neodymi phổ biến trong tự nhiên là hợp thành của 5 đồng vị ổn định, bao gồm Nd142, Nd143, Nd145, Nd146 và Nd148, với Nd142 là phổ biến nhất (27,2%), và 2 đồng vị phóng xạ là Nd144 và Nd150. Tổng cộng 31 đồng vị phóng xạ của neodymi đã được nêu đặc trưng cho tới nay, với ổn định nhất là các đồng vị có trong tự nhiên Nd144 (phân rã alpha với chu kỳ bán rã (T½) bằng 2,29×1015 năm) và Nd150 (phân rã beta kép, T½ bằng 7×1018 năm). Tất cả các đồng vị phóng xạ còn lại có chu kỳ bán rã nhỏ hơn 11 ngày và phần lớn trong số đó có chu kỳ bán rã nhỏ hơn 70 giây. Nguyên tố này cũng có 13 trạng thái giả ổn định đã biết với ổn định nhất là Nd139m (T½ bằng 5,5 giờ), Nd135m (T½ bằng 5,5 phút) và Nd133m1 (T½ ~70 giây).

Phương thức phân rã chủ yếu trước đồng vị phổ biến nhất (Nd142) là bắt điện tử và phân rã positron còn phương thức chủ yếu sau đồng vị ổn định phổ biến nhất là phân rã beta trừ. Sản phẩm phân rã chủ yếu trước Nd142 là các đồng vị của nguyên tố Pr (praseodymi) còn sản phẩm phân rã chủ yếu sau Nd142 là các đồng vị của nguyên tố Pm (promethi).