Oxy trong tự nhiên là tổng hợp của ba đồng vị bền, 16O, 17O, và 18O, với 16O phổ biến nhất (với tỷ lệ 99.762% trong tự nhiên). Tùy thuộc vào nguồn thu thập, trọng lượng nguyên tử tiêu chuẩn thay đổi trong phạm vi [15.99903, 15.99977] (giá trị thông thường là 15.999). Các đồng vị oxy được biết đến nhiều có số khối từ 12 tới 24.

Sự phong phú tương đối và tuyệt đối của16O rất cao vì nó là sản phẩm chính của tiến hóa sao và bởi vì nó là một đồng vị chính, nghĩa là nó có thể được tạo ra từ sao mà lúc đầu được hình thành chủ yếu từ hydro.[1] Hầu hết 16O được tổng hợp vào cuối quá trình nhiệt hạch heli trong sao; phản ứng ba-alpha tạo ra một 12C, thu được thêm một 4He để tạo thành 16O. Quá trình đốt neon tạo ra thêm một 16O nữa.

Hai đồng vị 17O và 18O là các đồng vị thứ cấp, có nghĩa là sự tổng hợp hạt nhân của chúng đòi hỏi hạt nhân hạt giống.17O chủ yếu được tạo ra bởi sự đốt cháy hydro thành heli trong chu trình CNO, làm cho nó trở thành một đồng vị phổ biến trong các khu vực các sao chuyên đốt hyđro. Hầu hết 18O được tạo ra khi 14N (rất phổ biến trong chu trình CNO) kết hợp với hạt nhân 4He, khiến cho 18O rất phổ biến trong khu vực các sao nhiều heli. Cần nhiệt độ một triệu độ Celsius để hai nguyên tử oxy tổng hợp hạt nhân thành một nguyên tử lưu huỳnh.[2]

Việc đo lường tỷ lệ oxy-18 đến oxy-16 thường được sử dụng để giải thích sự thay đổi trong cổ khí hậu học. Thành phần đồng vị của các nguyên tử oxy trong không khí của Trái đất là 99.759% 16O, 0.037% 17O và 0.204% 18O.[3] Bởi vì các phân tử nước có chứa đồng vị nhẹ hơn sẽ bay hơi dễ hơn và rơi xuống giáng thủy,[4] nước sạch và băng tại các cực trên trái đất chứa ít hơn một chút (0.1981%) các đồng vị nặng 18O hơn trong không khí (0.204%) hoặc nước biển (0.1995%). Sự chênh lệch này cho phép phân tích các mẫu nhiệt độ thông qua lịch sử các lõi băng.

Oxy được coi là có khối lượng nguyên tử 16 trước khi có định nghĩa đơn vị khối lượng nguyên tử dựa trên 12C.[5] Do các nhà vật lý chỉ quan tâm đến 16O, trong khi các nhà hoá học lại quan tâm tới hỗn hợp đồng vị tự nhiên, điều này tạo ra những khối lượng nguyên tử hơi khác nhau giữa hai ngành.