Sự tồn tại của đồng phân hạt nhân được Frederick Soddy dự đoán vào năm 1917 [2]. Sau đó năm 1921 Otto Hahn phát hiện đầu tiên khi nghiên cứu chuỗi phân rã urani, trong phân rã con là urani X2/urani Z, nay được gọi là 91 234 m Pa / 91 234 Pa {\displaystyle _{91}^{234m}{\hbox{Pa}}/_{91}^{234}{\hbox{Pa}}} , trong đó 234m
91Pa
có chu kỳ bán rã 1,16 phút, còn 234
91Pa
được phân biệt bởi thời gian bán hủy dài hơn 6,7 giờ [3].

Phát hiện mà Hahn sau này coi là một trong những điều quan trọng nhất của mình [4], đã đi trước thời đại của họ và chỉ được thừa nhận từ năm 1935 với việc phát hiện ra các ví dụ khác được chú ý nhiều hơn. Năm 1936 Carl Friedrich von Weizsäcker làm rõ các đồng phân hạt nhân là các trạng thái phân rã bị trì hoãn bởi thực tế là chúng phải phát ra bức xạ với động lượng quay đặc biệt lớn.[5] Do các đồng phân lần đầu tiên chỉ được phát hiện trong các hạt nhân có trạng thái cơ bản không ổn định, tức là bởi thời gian bán hủy khác nhau của trạng thái cơ bản và đồng phân, phải đến năm 1939, các đồng phân mới được xác định là trạng thái ổn định (hoặc có nghĩa là ổn định), đầu tiên là 115
49In
.[6][7]