Hạt nhân không ở trạng thái kích thích thì tồn tại ở trạng thái năng lượng thấp nhất, được gọi là trạng thái cơ bản (ground state). Trong khi đó hạt nhân của một đồng phân hạt nhân tương ứng ở một trạng thái năng lượng cao hơn. Trong một trạng thái kích thích, một hoặc nhiều proton và/hoặc neutron trong hạt nhân chiếm một quỹ đạo hạt nhân năng lượng cao hơn nhiều so với một quỹ đạo hạt nhân năng lượng thấp hơn có sẵn. Những trạng thái này tương tự như trạng thái kích thích của các electron trong nguyên tử, với các mức năng lượng rời rạc xác định, còn gọi là "lượng tử hóa".

Khi trạng thái kích thích nguyên tử phân rã, năng lượng được phát ra bởi huỳnh quang, quá trình chuyển dời điện tử phát xạ ánh sáng ở gần dải nhìn thấy. Trong quá trình hạt nhân thì năng lượng liên kết cao hơn nhiều, sự phân rã các trạng thái kích thích hạt nhân phát xạ năng lượng cao hơn, ở dải tia gamma hoặc tia X. Ví dụ, một đồng phân hạt nhân thường sử dụng trong ứng dụng y tế khác nhau là 99m
43Tc
, phân rã với chu kỳ bán rã khoảng 6 giờ, phát ra photon năng lượng 140 keV, gần với năng lượng của X-quang trong y tế chẩn đoán.

Đồng phân hạt nhân có chu kỳ bán rã dài thì thực tế là phân rã gamma của chúng là "cấm", do cần đến một sự thay đổi lớn trong spin hạt nhân để phát ra một lượng tử gamma. Ví dụ, 180m
73Ta
có spin -9, phân rã gamma đến 180
73Ta
với spin của +1. Tương tự, 99m
43Tc
có spin -1/2 và phải phân rã gamma đến 99
43Tc
có spin +9/2.