Le concept de fractionnement isotopique rend compte des variations dans la répartition des isotopes d'un élément. De façon simple, l'expression « fractionnement isotopique » correspond simplement à la répartition des isotopes d'un élément. Par exemple, pour l'oxygène, les trois isotopes naturels donnent le fractionnement suivant : ¹⁶O compte pour 99,762 e l'oxygène, ¹⁷O pour 0,038 t ¹⁸O pour 0,2 %. De façon plus précise, le fractionnement exprime une répartition entre deux groupes d'isotopes, selon qu'ils sont « légers » ou « lourds » (au sens du nombre de masse des isotopes mis en jeu).