Trong tự nhiên lithi (3Li) bao gồm hai đồng vị bền, lithi-6 và lithi-7, với đồng vị sau phổ biến hơn hẳn: chiếm khoảng 92.5% số nguyên tử. Cả hai đồng vị tự nhiên này có năng lượng kết nối hạt nhân thấp bất ngờ tính theo mỗi nucleon (~5.3 MeV) khi so sánh với các nguyên tố nhẹ hơn và nặng hơn liền kề, heli (~7.1 MeV) và berylli (~6.5 MeV). Đồng vị phóng xạ bền nhất của lithi là lithi-8, với chu kỳ bán rã chỉ có 838 milli giây. Lithi-9 có chu kỳ bán rã 178 milli giây, và lithi-11 có chu kỳ bán rã khoảng 1.1 milli giây. Tất cả các đồng vị còn lại của lithium có thời gian bán rã ngắn hơn 10 nano giây. Các đồng vị được biết đến có tuổi thọ ngắn nhất của lithi là lithi-4, bán rã bằng cách phát xạ proton với chu kỳ bán rã khoảng &-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1.0000009.1×10−23 giây, mặc dù thời gian bán rã của lithium-3 vẫn chưa được xác định, và có thể sẽ ngắn hơn nhiều, giống như heli-2 (diproton) bị phân hủy proton chỉ trong &-1-1-1-1-1-1-1-100000000.00000010−9 giây.Lithi-7 and lithi-6 là hai trong số nuclid nguyên thủy được tạo ra trong Vụ Nổ Lớn, với lithi-7 chiếm 10−9 trong tổng số nuclid và lithi-6 chiếm khoảng 10−13.[1] Một tỷ lệ nhỏ lithi-6 được sản xuất do phản ứng hạt nhân ở một số ngôi sao.Các đồng vị của lithi tách biệt phần nào trong nhiều quá trình địa chất học, bao gồm sự hình thành khoáng vật (sự kết tủa hóa học và trao đổi ion). Ion lithi thay thế magie hoặc sắt ở một số vị trí bát diện trong đất sét, và lithi-6 đôi khi được ưa thích hơn lithi-7. Điều này dẫn đến việc làm giàu lithi-7 trong các quá trình địa chất.Lithi-6 là một đồng vị quan trọng trong vật lý hạt nhân vì nếu dùng neutron bắn phá nó thì sẽ tạo ra triti.